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Aleksandra Klofat

Wie funktioniert Natural Language Processing in der Praxis? Ein Überblick

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Natural Language Processing (NLP,auf Deutsch auch als Computerlinguistik bezeichnet) gilt als ein Teilbereich des Machine Learning und der Sprachwissenschaften.

Beim NLP geht es vom Prinzip um das Extrahieren und Verarbeiten von Informationen, die in den natürlichen Sprachen enthalten sind. Im Rahmen von NLP wird die natürliche Sprache durch den Rechner in Zahlenabfolgen umgewandelt. Diese Zahlenabfolgen kann wiederum der Rechner benutzen, um Rückschlüsse auf unsere Welt zu ziehen. Kurz gesagt erlaubt NLP dem Computer unsere Sprache in ihren verschiedenen Formen zu verarbeiten. 

Eine ausführlichere Definition von NLP wurde auf dem Data Science Blog von Christopher Kipp vorgenommen. 

In diesem Beitrag werde ich dagegen einen Überblick über die spezifischen Schritte im NLP als Prozess darstellen, denn NLP erfolgt in mehreren Phasen, die aufeinander Folgen und zum Teil als Kreislauf verstanden werden können. In ihren Grundlagen ähneln sich diese Phasen bei jeder NLP-Anwendung, sei es Chatbot Erstellung oder Sentiment Analyse.

1. Datenreinigung / Normalisierung 

In dieser Phase werden die rohen Sprachdaten aus ihrem ursprünglichen Format entnommen, sodass am Ende nur reine Textdaten ohne Format erhalten bleiben. 

Beispielsweise können die Textdaten für unsere Analyse aus Webseiten stammen und nach ihrer Erhebung in HTML Code eingebettet sein.

Das Bild zeigt eine Beispielseite. Der Text hier ist noch in einen HTML Kontext eingebettet. Der erste Schritt muss daher sein, den Text von den diversen HTML-Tags zu bereinigen. 

 

2. Tokenisierung und Normalisierung (Tokenizing and Normalizing) 

Nach dem ersten Schritt steht als Ergebnis idealerweise reiner Text da, der aber auch Sprachelemente wie Punkte, Kommata sowie Groß- und Kleinschreibung beinhaltet. 

Hier kommt der nächste Schritt ins Spiel – die Entfernung der Interpunktion vom Text. Der Text wird auf diese Weise auf seine Wort-Bestandteile (sog. Tokens) reduziert. 

Zusätzlich zu diesem Schritt kann auch Groß- und Kleinschreibung entfernt werden (Normalisierung). Dies spart vor allem die Rechenkapazität. 

So wird aus folgendem Abschnitt:

Auf diese Weise können wir die Daten aggregieren und in Subsets analysieren. Wir müssen nicht immer das ganze Machine Learning in Hadoop und Spark auf dem gesamten Datensatz starten.

folgender Text 

auf diese weise können wir die daten aggregieren und in subsets analysieren wir müssen nicht immer das ganze machine learning in hadoop und spark auf dem gesamten datensatz starten

 

3. Füllwörterentfernung / Stop words removal 

Im nächsten Schritt entfernen wir die sogenannten Füllwörter wie „und“, „sowie“, „etc.“. In den entsprechenden Python Bibliotheken sind die gängigen Füllwörter bereits gespeichert und können leicht entfernt werden. Trotzdem ist hier Vorsicht geboten. Die Bedeutung der Füllwörter in einer Sprache verändert sich je nach Kontext. Aus diesem Grund ist dieser Schritt optional und die zu entfernenden Füllwörter müssen kontextabhängig ausgewählt werden. 

Nach diesem Schritt bleibt dann in unserem Beispiel folgender Text erhalten: 

können daten aggregieren subsets analysieren müssen nicht immer machine learning hadoop spark datensatz starten

 

4. Pats of speech (POS) 
Als weiterer Schritt können die Wörter mit ihrer korrekten Wortart markiert werden. Der Rechner markiert sie entsprechend als Verben, Nomen, Adjektive etc. Dieser Schritt könnte für manche Fälle der Grundformreduktion/Lemmatization notwendig sein (dazu sogleich unten).

 

5. Stemming und Lemmatization/Grundformreduktion

In weiteren Schritten kann weiter das sogenannte Stemming und Lemmatization folgen. Vom Prinzip werden hier die einzelnen Wörter in ihre Grundform bzw. Wörterbuchform gebracht. 

Im Fall von Stemming werden die Wörter am Ende einfach abgeschnitten und auf den Wortstamm reduziert. So wäre zum Beispiel das Verb „gehen“, „geht“ auf die Form „geh“ reduziert. 

Im Fall der Lemmatization bzw. Grundformreduktion werden die Wörter in ihre ursprüngliche Wörterbuchform gebracht: das Verb „geht“ wäre dann ins „gehen“ transformiert. 

Parts of Speech, Stemming als auch Lemmatising sind vorteilhaft für die Komplexitätsreduktion. Sie führen deswegen zu mehr Effizienz und schnellerer Anwendbarkeit. Dies geschieht allerdings auf Kosten der Präzision. Die auf diese Weise erstellten Listen können dann im Fall einer Suchmaschine weniger relevante Ergebnisse liefern.

Nachfolgende Schritte beim NLP transformieren den Text in mathematische Zahlenfolgen, die der Rechner verstehen kann. Wie wir in diesem Schritt vorgehen, hängt stark davon ab, was das eigentliche Ziel des Projektes sei. Es gibt ein breites Angebot an Python Paketen, die die Zahlenbildung je nach Projektziel unterschiedlich gestalten

 

6a. Bag of Words Methoden in Python (https://en.wikipedia.org/wiki/Bag-of-words_model)

Zu den Bag of Words Methoden in Python gehört das sogenannte TF-IDF Vectorizer. Die Transformationsmethode mit dem TF-IDF eignet sich beispielsweise zum Bau eines Spamdetektors, da der TF-IDF Vectorizer die Wörter im Kontext des Gesamtdokumentes betrachtet.

 

6b. Word Embeddings Methoden in Python: Word2Vec, GloVe (https://en.wikipedia.org/wiki/Word_embedding)

Wie der Name bereits sagt transformiert Word2Vec die einzelnen Wörter zu Vektoren (Zahlenfolgen). Dabei werden ähnliche Wörter zu ähnlichen Vektoren transformiert. Die Methoden aus der Word Embeddings Kiste eignen sich zum Beispiel besser, um einen Chatbot zu erstellen. 

Im letzten Schritt des NLP können wir die so prozessierte Sprache in die gängigen Machine Learning Modelle einspeisen. Das Beste an den oben erwähnten NLP Techniken ist die Transformation der Sprache in Zahlensequenzen, die durch jeden ML Algorithmus analysiert werden können. Die weitere Vorgehensweise hängt hier nur noch vom Ziel des Projektes ab. 

Dies ist ein Überblick über die notwendigen (und optionalen) Schritte in einem NLP Verfahren. Natürlich hängt die Anwendung vom jeweiligen Use Case ab. Die hier beschriebenen NLP Phasen nehmen viele Ungenauigkeiten in Kauf, wie zum Beispiel die Reduzierung der Wörter auf Wortstämmen bzw. den Verzicht auf Großschreibung. Bei der Umsetzung in der Praxis müssen immer Kosten und Nutzen abgewogen werden und das Verfahren dem besonderen Fall angepasst werden. 

Quellen:
  • Mandy Gu: „Spam or Ham: Introduction to Natural Language Processing Part 2“ https://towardsdatascience.com/spam-or-ham-introduction-to-natural-language-processing-part-2-a0093185aebd
  • Christopher D. Manning, Prabhakar Raghavan & Hinrich Schütze: „Introduction to Information Retrieval”, Cambridge University Press, https://nlp.stanford.edu/IR-book/
  • Hobson Lane, Cole Howard, Hannes Max Hapke: „Natural Language Processing in Action. Understanding, analyzing, and generating text with Python.” Manning Shelter Island
Simon Krannig

Daten als Frühwarnsystem einsetzen

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In der klassischen Business Intelligence haben Unternehmen jahrelang Daten in Data Warehouses gesammelt und analysiert, um aus der Vergangenheit Lehren für die Zukunft zu ziehen. Zu seiner Zeit war das eine Revolution, aber da es sich dabei vor allem um Daten aus Transaktionssystemen handelte, war der Nutzen begrenzt. Erst mit der Verbreitung des IoT und von Sensoren, die permanent Daten liefern, konnten auch Gründe für Fehler oder Maschinenausfälle ausgelesen werden. Und wenn diese Gründe bestimmten Mustern folgen, liegt es nahe, einzugreifen, bevor ein Problem auftritt – das ist der Grundgedanke hinter dem Konzept von Predictive Analytics.

Großes bisher meist ungenutztes Potential

Systeme, die Risiken und Abweichungen als Frühwarnsystem erkennen, besitzen ein enormes wirtschaftliches Potential. In der Produktion beispielsweise können Maschinen länger reibungsfrei laufen und auch die IT-Infrastruktur profitiert. Predictive Analytics verändern aber auch die Unternehmensführung von Grund auf: Wenn Entscheidungen nur noch auf Basis von Daten anstatt von einem „Bauchgefühl” getroffen werden, verändert sich auch das Machtgefälle zugunsten der IT.

Wenn Entscheider sich nur noch auf Daten verlassen sollen/wollen und ihr Bauchgefühl ausschalten müssen, dann führt das zu einer Art “kultureller Überforderung” wie die Studie „Predictive Analytics 2018“ von IDG Research Services zeigt. Aber den meisten von ihnen ist klar, dass an dem Thema auf lange Sicht kein Weg vorbei führt. Zum Zeitpunkt der Befragung, die schon etwas zurückliegt, stuften bereits 47 Prozent der Unternehmen die Relevanz von Predictive Analytics als sehr hoch (18 Prozent) oder hoch (29 Prozent) ein. Über ein Drittel war aber bereits der Überzeugung, das Predictive Analytics spätestens 2021 eine sehr wichtige Rolle spielen wird.

Intelligenz in den Workflow bringen

Für Managed-Cloud-Unternehmen wie Adacor gewinnt Predictive Analytics in zweierlei Hinsicht an Bedeutung. Zum einen lassen sich damit Prozesse verbessern, mit denen bereits in der Vergangenheit Themen wie das Management von Server-Log-Daten oder CPU-Auslastungen automatisiert und vorausschauend gesteuert wurden.

Für Private Cloud Services, der maßgeschneiderten Erweiterung von internen Rechenzentren bedeutet dies, Teile des Live-Monitorings nach und nach in ein Predictive-Monitoring umzuwandeln und so auf mögliche Ausfälle oder Beeinträchtigungen von Servern im Vorfeld zu reagieren, um so auch den Ausfall für den Kunden zu verhindern. In einem einfachen Beispiel bewertet ein Deep-Learning Modell, ob auf einem beliebigen System die Festplattenfüllstände in der Zukunft stabil verlaufen werden oder ob mit instabilem Verhalten zu rechnen ist. Wird Stabilität erwartet, dann kann ein simpleres Vorhersagemodell diese Stabilität nutzen und die Füllstände vorhersagen. Ist mit instabilem Verhalten zu rechnen, dann wissen die Administratoren, dass sie ein besonderes Auge auf das entsprechende System werfen sollten. So wird durch vergleichsweise einfache Predictive-Monitoring Methoden bereits eine deutlich erhöhte Ausfallsicherheit der Systeme gewährleistet.

Neben stark individualisierten Cloud-Lösungen werden in Zukunft standardisierte Angebote immer mehr nachgefragt werden, die durch Predictive-Analytic-Tools „intelligenter” werden. Übersetzt bedeutet das, maschinelles Lernen nach Möglichkeit automatisch auf neue Prozesse anzuwenden und so Server bzw. die Cloud noch leistungsfähiger und sicherer zu machen.

Size matters

Die Studie zeigte, dass vor allem große Unternehmen Ressourcen für Analytics-Projekte bereitstellen. Über ein Drittel von ihnen hatte bereits Analytics-Projekte umgesetzt, mehr als die Hälfte davon im Bereich Predictive Analytics. Kleine und mittelständische Firmen hingegen verfügten noch wenig über umfangreiche Analytics-Systeme. Die Ergebnisse aus den Predictive-Analytics-Projekten beeinflussen im Wesentlichen auch die Management-Entscheidungen. 94 Prozent der Firmen, die Predictive Analytics anwenden, steuern über die Auswertungen Prozesse vor allem im IT-Bereich, im strategischen Management sowie in Produktion und Fertigung. Die großen Unternehmen sind also größtenteils schon dabei, sich die Vorteile zu nutzen zu machen. Bei mittelständischen und kleineren Unternehmen besteht noch deutlicher Nachholbedarf. Schon die technischen Voraussetzungen genügen häufig nicht den Anforderungen.

Fast alle Branchen können profitieren

Das erstaunt, denn Predictive Analytics kann in vielen Bereichen als eine Art Frühwarnsystem eingesetzt werden. Es hilft nicht nur dabei, Maschinenausfälle bei Produktionsunternehmen durch vorausschauende Wartungen zu minimieren. Es kann zum Beispiel auch den Vertrieb von Handelsunternehmen optimieren. In der Medizin kommen bereits Methoden zum Einsatz, durch die sich Risikofaktoren schneller identifizieren und die Behandlung von Krankheiten insgesamt verbessern lässt. Versicherungen und auch Finanzinstitute kalkulieren ihre Produkte und Prämien seit jeher erfolgreich auf Basis von Wahrscheinlichkeitsanalysen und Hochrechnungen. Auch im Bereich der Betrugsprävention werden entsprechend Methoden und Tools verstärkt eingesetzt, um Kriminellen das Handwerk zu legen.

Man sieht, es lohnt sich für Unternehmen, die Daten sammeln, ihre Strategie an die neuen Technologien anzupassen. Die aktuellen Möglichkeiten zur Analyse und Aggregierung von Daten und Informationen sind extrem groß. Es kommt darauf an, Muster in den „Big Data” zu erkennen und diese richtig zu interpretieren – anstatt dieselben Fehler immer und immer wieder zu machen.

“Saubere Ablage“ bringt Unternehmen nicht weiter

Unternehmen, die Daten sammeln, um diese lediglich sauber abzulegen und zu archivieren, sollten Ihre Strategie an die neuen Möglichkeiten des Predictive Analytics anpassen. Die aktuellen Möglichkeiten zur Auswertung und zur Verdichtung von Daten zu Informationen und somit zur Generierung von Wissen sind extrem groß. Nur wer Muster im großen Reich der Daten erkennt und diese auch richtig interpretieren kann, wird kann mit Predicitve Analytics ein Frühwarnsystem zu seinen Gunsten aufbauen.

Filip Ciesielski

Best machine learning algorithms you should know

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Machine learning is a key technology tool businesses use to build tools that enhance their operations. To do that, they take advantage of machine learning algorithms that come in different shapes and sizes, servicing different purposes and working on different data sets. Choosing the right algorithm for the job is what makes machine learning and deep learning projects successful. That’s why being aware of all the different types of machine learning algorithms is so important – that’s how you get better results and build more advanced solutions.

Here’s an overview of the best machine learning algorithms you should know before starting your project.

What is meant by machine learning algorithms?

First things first, what is machine learning and how do algorithms fit into the picture? A machine learning (ML) algorithm is a process or set of procedures that allow a model to adapt to the data with a specific objective set as the goal.

An ML algorithm specifies how the data is transformed from the input to output, helping the model to learn the appropriate mapping from input to output. That model specifies the mapping functions and holds the parameters in place, while the machine learning algorithm updates the parameters to help the model match its goal.

What are the algorithms used in machine learning?

Algorithms can model problems in many different ways. The easiest way to differentiate between different ML algorithms is by comparing them by learning styles that they can adapt. Generally, machine learning algorithms can adapt to several learning styles that help to solve different problems.

Here are four learning styles in machine learning you need to know:

1 Supervised learning

In supervised learning, the input data serves as training data and comes with a known label or result – for example, the price at a time or spam/not-spam.

In this variant, the training process is critical for preparing a model that makes predictions and then is corrected when the predictions are wrong. The training process continues until the model achieves the appropriate level of accuracy. Classification and regression are examples of problems for this learning type.

 

2 Unsupervised learning

In unsupervised learning, input data isn’t labeled and doesn’t come with a known result. Data scientists prepare models by deducing the structures in the input data to extract general rules or reduce redundancy through mathematical processes. Unsupervised learning addresses problems such as association rule learning, dimensionality reduction, and clustering.

3 Semi-supervised learning

In this learning style, the input data is a mixture of labeled and unlabeled examples. The prediction problem is known, but the model needs to learn the structures for organizing data and making predictions on its own. This learning style is used to address problems such as regression and classification.

4 Reinforcement learning

One of three basic machine learning paradigms together with supervised learning and unsupervised learning, reinforcement learning (RL) is an area of machine learning that focuses on the ways in which software agents should take actions to maximize a specified notion of cumulative reward in a given environment.

The best machine learning algorithms you should know

1 Linear Regression

Linear regression is an algorithm that correlates between two variables in the data set, examining the input and output sets to show a relationship between them. For example, the algorithm can show how changing one of the input variables affects the other variable. The relationship is represented by plotting a line on the graph.

Linear regression is one of the most popular algorithms in machine learning because it’s transparent and requires no tuning to work. Practical applications of this algorithm are risk assessment or sales forecasting solutions.

2 Logistic regression

Logistic regression is a type of constrained Linear Regression with a non-linearity application after you apply weights. Note that this algorithm is used for classification, not regression. The algorithm restricts the outputs close to +/- classes (and 1 and 0 in the case of sigmoid) and can be trained with Gradient Descent or L-BFGS.

Logistic regression is used in Natural Language Processing (NLP) applications, where it often appears under the name of Maximum Entropy Classifier.

3 Principal component analysis (PCA or LDA)

Principal component analysis is an unsupervised method that helps data scientists to understand better the global properties of a data set that consists of vectors. It analyzes the covariance matrix of data points to learn which dimensions/data points have high variance among themselves and low covariance with others. The algorithm helps data scientists to get data points with reduced dimensions.

4 K-means clustering

K- means clustering is a type of unsupervised clustering algorithm that sorts data sets through defined clusters. It offers results in the form of groups based on internal patterns.

For example, you can use a K-means algorithm for sorting web results for the word “cat,” and it will show all the results in the form of groups. The main advantage of this algorithm is its accuracy as it provides data groupings faster than other algorithms.

 

5 Decision trees

A decision tree is made of various branches that represent the outcome of many decisions. This algorithm collects and graphs data in multiple branches to predict response variables on the basis of past decisions. It comes in handy for mapping our decisions and presents results visually to communicate findings easily.

Decision trees work best for smaller data sets and relatively low-stake decisions – otherwise, the long-tail visuals can be hard to decipher. The key advantage of this algorithm is that it allows showing multiple outcomes and tests without having to involve data scientists – it’s easy to use.

6 Random forests

A random forest consists of a great number of individual decision trees where they all operate as an ensemble. An individual tree in the random forest generates a class prediction – the class which receives the highest number of votes becomes the model’s prediction. Having many relatively uncorrelated models (trees) operating as a committee easily outperforms individual constituent models.

The low correlation between these models is the strength of this approach because it allows producing ensemble predictions that are far more accurate than individual predictions. Note that decisions trees protect each other from individual errors. While some trees may generate false predictions, others will generate the right ones – as a group; they will be able to move in the right direction.

7 Support Vector Machine

Support Vector Machines (SVMs) are linear models similar to linear or logistic regression we’ve discussed earlier. However, there’s one difference – they have a different margin-based loss function, which can be optimized by using methods such as L-BFGS or SGD. SVMs internally analyze data sets into classes, which is helpful for future classifications.

The main idea behind SVM is separating data into classes and maximizing the margins of entering future data into classes. This type of algorithm works best for training data. However, it can also serve as a tool for processing nonlinear data. The financial sector makes use of Support Vector Machines thanks to its accuracy in classifying both current and future data sets.

8 Apriori

The Apriori algorithm is used a lot in market analysis. It’s based on the principle of Apriori and checks for positive and negative correlations between products after analyzing values in data sets.

For example, if two values often correlate in a data set, the algorithm will conclude that A will often lead to B, referring to the information in data sets. For example, if customers often buy product A and product B together, this relation will hold a high percentage and help companies like Google or Amazon to predict product searches and purchases.

9 Naive Bayes Classifier

This handy classification technique is based on Bayes’ Theorem, which assumes independence among predictors. The algorithm will assume that the presence of a specific feature in a class is not related to the presence of any other feature in the same class.

For example, a fruit may be considered a banana if it’s yellow, curved, and about 15 cm long. These features depend on each other, and on the existence of hooter features, they all independently contribute to the probability that this fruit is a banana. That’s why the algorithm bears the name “Naive.”

The algorithm offers a model that is easy to build and helpful in handling very large data sets. It can outperform the most sophisticated classification methods.

10 K-Nearest Neighbors (KNN)

This is one of the simplest algorithm types used in machine learning for classification and regression. KNN algorithms classify new data points on the basis of similarity measures, such as the distance function. They perform classification by using a majority vote of the data points’ neighbors. They then assign data to the class, which has the nearest neighbors. Together with increasing the number of nearest neighbors (the value of k), the accuracy may increase as well.

11 Ordinary Least Squares Regression (OLSR)

Ordinary Least Squares Regression (OLSR) is a generalized linear modeling technique data scientists use for estimating unknown parameters that are part of a linear regression model. OLSR describes the relationship between a dependent variable and one or more of its independent variables.

The algorithm is applied in diverse fields such as economics, finance, medicine, and social sciences. Companies use it in machine learning and predictive analytics to dynamically predict specific outcomes on the basis of variables that change dynamically.

We hope that this machine learning algorithms list helps you pick the right tools of the trade for your next machine learning project. If you’d like to learn more about Machine Learning, Data Science and Web Development, visit the Sunscrapers company blog.

Harald Erb

Wie passt Machine Learning in eine moderne Data- & Analytics Architektur?

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Einleitung

Aufgrund vielfältiger potenzieller Geschäftschancen, die Machine Learning bietet, arbeiten mittlerweile viele Unternehmen an Initiativen für datengetriebene Innovationen. Dabei gründen sie Analytics-Teams, schreiben neue Stellen für Data Scientists aus, bauen intern Know-how auf und fordern von der IT-Organisation eine Infrastruktur für “heavy” Data Engineering & Processing samt Bereitstellung einer Analytics-Toolbox ein. Für IT-Architekten warten hier spannende Herausforderungen, u.a. bei der Zusammenarbeit mit interdisziplinären Teams, deren Mitglieder unterschiedlich ausgeprägte Kenntnisse im Bereich Machine Learning (ML) und Bedarfe bei der Tool-Unterstützung haben. Einige Überlegungen sind dabei: Sollen Data Scientists mit ML-Toolkits arbeiten und eigene maßgeschneiderte Algorithmen nur im Ausnahmefall entwickeln, damit später Herausforderungen durch (unkonventionelle) Integrationen vermieden werden? Machen ML-Funktionen im seit Jahren bewährten ETL-Tool oder in der Datenbank Sinn? Sollen ambitionierte Fachanwender künftig selbst Rohdaten aufbereiten und verknüpfen, um auf das präparierte Dataset einen populären Algorithmus anzuwenden und die Ergebnisse selbst interpretieren? Für die genannten Fragestellungen warten junge & etablierte Software-Hersteller sowie die Open Source Community mit “All-in-one”-Lösungen oder Machine Learning-Erweiterungen auf. Vor dem Hintergrund des Data Science Prozesses, der den Weg eines ML-Modells von der experimentellen Phase bis zur Operationalisierung beschreibt, vergleicht dieser Artikel ausgewählte Ansätze (Notebooks für die Datenanalyse, Machine Learning-Komponenten in ETL- und Datenvisualisierungs­werkzeugen vs. Speziallösungen für Machine Learning) und betrachtet mögliche Einsatzbereiche und Integrationsaspekte.

Data Science Prozess und Teams

Im Zuge des Big Data-Hypes kamen neben Design-Patterns für Big Data- und Analytics-Architekturen auch Begriffsdefinitionen auf, die Disziplinen wie Datenintegration von Data Engineering und Data Science vonein­ander abgrenzen [1]. Prozessmodelle, wie das ab 1996 im Rahmen eines EU-Förderprojekts entwickelte CRISP-DM (CRoss-Industry Standard Process for Data Mining) [2], und Best Practices zur Organisation erfolgreich arbeitender Data Science Teams [3] weisen dabei die Richtung, wie Unternehmen das Beste aus den eigenen Datenschätzen herausholen können. Die Disziplin Data Science beschreibt den, an ein wissenschaftliches Vorgehen angelehnten, Prozess der Nutzung von internen und externen Datenquellen zur Optimierung von Produkten, Dienstleistungen und Prozessen durch die Anwendung statistischer und mathematischer Modelle. Bild 1 stellt in einem Schwimmbahnen-Diagramm einzelne Phasen des Data Science Prozesses den beteiligten Funktionen gegenüber und fasst Erfahrungen aus der Praxis zusammen [5]. Dabei ist die Intensität bei der Zusammenarbeit zwischen Data Scientists und System Engineers insbesondere bei Vorbereitung und Bereitstellung der benötigten Datenquellen und später bei der Produktivsetzung des Ergebnisses hoch. Eine intensive Beanspruchung der Server-Infrastruktur ist in allen Phasen gegeben, bei denen Hands-on (und oft auch massiv parallel) mit dem Datenpool gearbeitet wird, z.B. bei Datenaufbereitung, Training von ML Modellen etc.

Abbildung 1: Beteiligung und Interaktion von Fachbereichs-/IT-Funktionen mit dem Data Science Team

Mitarbeiter vom Technologie-Giganten Google haben sich reale Machine Learning-Systeme näher angesehen und festgestellt, dass der Umsetzungsaufwand für den eigentlichen Kern (= der ML-Code, siehe den kleinen schwarzen Kasten in der Mitte von Bild 2) gering ist, wenn man dies mit der Bereitstellung der umfangreichen und komplexen Infrastruktur inklusive Managementfunktionen vergleicht [4].

Abbildung 2: Versteckte technische Anforderungen in maschinellen Lernsystemen

Konzeptionelle Architektur für Machine Learning und Analytics

Die Nutzung aller verfügbaren Daten für Analyse, Durchführung von Data Science-Projekten, mit den daraus resultierenden Maßnahmen zur Prozessoptimierung und -automatisierung, bedeutet für Unternehmen sich neuen Herausforderungen zu stellen: Einführung neuer Technologien, Anwendung komplexer mathematischer Methoden sowie neue Arbeitsweisen, die in dieser Form bisher noch nicht dagewesen sind. Für IT-Architekten gibt es also reichlich Arbeit, entweder um eine Data Management-Plattform neu aufzubauen oder um das bestehende Informationsmanagement weiterzuentwickeln. Bild 3 zeigt hierzu eine vierstufige Architektur nach Gartner [6], ausgerichtet auf Analytics und Machine Learning.

Abbildung 3: Konzeptionelle End-to-End Architektur für Machine Learning und Analytics

Was hat sich im Vergleich zu den traditionellen Data Warehouse- und Business Intelligence-Architekturen aus den 1990er Jahren geändert? Denkt man z.B. an die Präzisionsfertigung eines komplexen Produkts mit dem Ziel, den Ausschuss weiter zu senken und in der Produktionslinie eine höhere Produktivitätssteigerung (Kennzahl: OEE, Operational Equipment Efficiency) erzielen zu können: Die an der Produktherstellung beteiligten Fertigungsmodule (Spezialmaschinen) messen bzw. detektieren über zahlreiche Sensoren Prozesszustände, speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS) regeln dazu die Abläufe und lassen zu Kontrollzwecken vom Endprodukt ein oder mehrere hochauflösende Fotos aufnehmen. Bei diesem Szenario entsteht eine Menge interessanter Messdaten, die im operativen Betrieb häufig schon genutzt werden. Z.B. für eine Echtzeitalarmierung bei Über- oder Unterschreitung von Schwellwerten in einem vorher definierten Prozessfenster. Während früher vielleicht aus Kostengründen nur Statusdaten und Störungsinformationen den Weg in relationale Datenbanken fanden, hebt man heute auch Rohdaten, z.B. Zeitreihen (Kraftwirkung, Vorschub, Spannung, Frequenzen,…) für die spätere Analyse auf.

Bezogen auf den Bereich Acquire bewältigt die IT-Architektur in Bild 3 nun Aufgaben, wie die Übernahme und Speicherung von Maschinen- und Sensordaten, die im Millisekundentakt Datenpunkte erzeugen. Während IoT-Plattformen das Registrieren, Anbinden und Management von Hunderten oder Tausenden solcher datenproduzierender Geräte („Things“) erleichtern, beschreibt das zugehörige IT-Konzept den Umgang mit Protokollen wie MQTT, OPC-UA, den Aufbau und Einsatz einer Messaging-Plattform für Publish-/Subscribe-Modelle (Pub/Sub) zur performanten Weiterverarbeitung von Massendaten im JSON-Dateiformat. Im Bereich Organize etablieren sich neben relationalen Datenbanken vermehrt verteilte NoSQL-Datenbanken zum Persistieren eingehender Datenströme, wie sie z.B. im oben beschriebenen Produktionsszenario entstehen. Für hochauflösende Bilder, Audio-, Videoaufnahmen oder andere unstrukturierte Daten kommt zusätzlich noch Object Storage als alternative Speicherform in Frage. Neben der kostengünstigen und langlebigen Datenauf­bewahrung ist die Möglichkeit, einzelne Objekte mit Metadaten flexibel zu beschreiben, um damit später die Auffindbarkeit zu ermöglichen und den notwendigen Kontext für die Analysen zu geben, hier ein weiterer Vorteil. Mit dem richtigen Technologie-Mix und der konsequenten Umsetzung eines Data Lake– oder Virtual Data Warehouse-Konzepts gelingt es IT-Architekten, vielfältige Analytics Anwendungsfälle zu unterstützen.

Im Rahmen des Data Science Prozesses spielt, neben der sicheren und massenhaften Datenspeicherung sowie der Fähigkeit zur gleichzeitigen, parallelen Verarbeitung großer Datenmengen, das sog. Feature-Engineering eine wichtige Rolle. Dazu wieder ein Beispiel aus der maschinellen Fertigung: Mit Hilfe von Machine Learning soll nach unbekannten Gründen für den zu hohen Ausschuss gefunden werden. Was sind die bestimmenden Faktoren dafür? Beeinflusst etwas die Maschinenkonfiguration oder deuten Frequenzveränderungen bei einem Verschleißteil über die Zeit gesehen auf ein Problem hin? Maschine und Sensoren liefern viele Parameter als Zeitreihendaten, aber nur einige davon sind – womöglich nur in einer bestimmten Kombination – für die Aufgabenstellung wirklich relevant. Daher versuchen Data Scientists bei der Feature-Entwicklung die Vorhersage- oder Klassifikationsleistung der Lernalgorithmen durch Erstellen von Merkmalen aus Rohdaten zu verbessern und mit diesen den Lernprozess zu vereinfachen. Die anschließende Feature-Auswahl wählt bei dem Versuch, die Anzahl von Dimensionen des Trainingsproblems zu verringern, die wichtigste Teilmenge der ursprünglichen Daten-Features aus. Aufgrund dieser und anderer Arbeitsschritte, wie z.B. Auswahl und Training geeigneter Algorithmen, ist der Aufbau eines Machine Learning Modells ein iterativer Prozess, bei dem Data Scientists dutzende oder hunderte von Modellen bauen, bis die Akzeptanzkriterien für die Modellgüte erfüllt sind. Aus technischer Sicht sollte die IT-Architektur auch bei der Verwaltung von Machine Learning Modellen bestmöglich unterstützen, z.B. bei Modell-Versionierung, -Deployment und -Tracking in der Produktions­umgebung oder bei der Automatisierung des Re-Trainings.

Die Bereiche Analyze und Deliver zeigen in Bild 3 einige bekannte Analysefähigkeiten, wie z.B. die Bereitstellung eines Standardreportings, Self-service Funktionen zur Geschäftsplanung sowie Ad-hoc Analyse und Exploration neuer Datasets. Data Science-Aktivitäten können etablierte Business Intelligence-Plattformen inhaltlich ergänzen, in dem sie durch neuartige Kennzahlen, das bisherige Reporting „smarter“ machen und ggf. durch Vorhersagen einen Blick in die nahe Zukunft beisteuern. Machine Learning-as-a-Service oder Machine Learning-Produkte sind alternative Darreichungsformen, um Geschäftsprozesse mit Hilfe von Analytik zu optimieren: Z.B. integriert in einer Call Center-Applikation, die mittels Churn-Indikatoren zu dem gerade anrufenden erbosten Kunden einen Score zu dessen Abwanderungswilligkeit zusammen mit Handlungsempfehlungen (Gutschein, Rabatt) anzeigt. Den Kunden-Score oder andere Risikoeinschätzungen liefert dabei eine Service Schnittstelle, die von verschiedenen unternehmensinternen oder auch externen Anwendungen (z.B. Smartphone-App) eingebunden und in Echtzeit angefragt werden kann. Arbeitsfelder für die IT-Architektur wären in diesem Zusammenhang u.a. Bereitstellung und Betrieb (skalierbarer) ML-Modelle via REST API’s in der Produktions­umgebung inklusive Absicherung gegen unerwünschten Zugriff.

Ein klassischer Ansatz: Datenanalyse und Machine Learning mit Jupyter Notebook & Python

Jupyter ist ein Kommandozeileninterpreter zum interaktiven Arbeiten mit der Programmiersprache Python. Es handelt sich dabei nicht nur um eine bloße Erweiterung der in Python eingebauten Shell, sondern um eine Softwaresuite zum Entwickeln und Ausführen von Python-Programmen. Funktionen wie Introspektion, Befehlszeilenergänzung, Rich-Media-Einbettung und verschiedene Editoren (Terminal, Qt-basiert oder browserbasiert) ermöglichen es, Python-Anwendungen als auch Machine Learning-Projekte komfortabel zu entwickeln und gleichzeitig zu dokumentieren. Datenanalysten sind bei der Arbeit mit Juypter nicht auf Python als Programmiersprache begrenzt, sondern können ebenso auch sog. Kernels für Julia, R und vielen anderen Sprachen einbinden. Ein Jupyter Notebook besteht aus einer Reihe von “Zellen”, die in einer Sequenz angeordnet sind. Jede Zelle kann entweder Text oder (Live-)Code enthalten und ist beliebig verschiebbar. Texte lassen sich in den Zellen mit einer einfachen Markup-Sprache formatieren, komplexe Formeln wie mit einer Ausgabe in LaTeX darstellen. Code-Zellen enthalten Code in der Programmiersprache, die dem aktiven Notebook über den entsprechenden Kernel (Python 2 Python 3, R, etc.) zugeordnet wurde. Bild 4 zeigt auszugsweise eine Analyse historischer Hauspreise in Abhängigkeit ihrer Lage in Kalifornien, USA (Daten und Notebook sind öffentlich erhältlich [7]). Notebooks erlauben es, ganze Machine Learning-Projekte von der Datenbeschaffung bis zur Evaluierung der ML-Modelle reproduzierbar abzubilden und lassen sich gut versionieren. Komplexe ML-Modelle können in Python mit Hilfe des Pickle Moduls, das einen Algorithmus zur Serialisierung und De-Serialisierung implementiert, ebenfalls transportabel gemacht werden.

 

Abbildung 4: Datenbeschaffung, Inspektion, Visualisierung und ML Modell-Training in einem Jupyter Notebook (Pro-grammiersprache: Python)

Ein Problem, auf das man bei der praktischen Arbeit mit lokalen Jupyter-Installationen schnell stößt, lässt sich mit dem “works on my machine”-Syndrom bezeichnen. Kleine Data Sets funktionieren problemlos auf einem lokalen Rechner, wenn sie aber auf die Größe des Produktionsdatenbestandes migriert werden, skaliert das Einlesen und Verarbeiten aller Daten mit einem einzelnen Rechner nicht. Aufgrund dieser Begrenzung liegt der Aufbau einer server-basierten ML-Umgebung mit ausreichend Rechen- und Speicherkapazität auf der Hand. Dabei ist aber die Einrichtung einer solchen ML-Umgebung, insbesondere bei einer on-premise Infrastruktur, eine Herausforderung: Das Infrastruktur-Team muss physische Server und/oder virtuelle Maschinen (VM’s) auf Anforderung bereitstellen und integrieren. Dieser Ansatz ist aufgrund vieler manueller Arbeitsschritte zeitaufwändig und fehleranfällig. Mit dem Einsatz Cloud-basierter Technologien vereinfacht sich dieser Prozess deutlich. Die Möglichkeit, Infrastructure on Demand zu verwenden und z.B. mit einem skalierbaren Cloud-Data Warehouse zu kombinieren, bietet sofortigen Zugriff auf Rechen- und Speicher-Ressourcen, wann immer sie benötigt werden und reduziert den administrativen Aufwand bei Einrichtung und Verwaltung der zum Einsatz kommenden ML-Software. Bild 5 zeigt den Code-Ausschnitt aus einem Jupyter Notebook, das im Rahmen des Cloud Services Amazon SageMaker bereitgestellt wird und via PySpark Kernel auf einen Multi-Node Apache Spark Cluster (in einer Amazon EMR-Umgebung) zugreift. In diesem Szenario wird aus einem Snowflake Cloud Data Warehouse ein größeres Data Set mit 220 Millionen Datensätzen via Spark-Connector komplett in ein Spark Dataframe geladen und im Spark Cluster weiterverarbeitet. Den vollständigen Prozess inkl. Einrichtung und Konfiguration aller Komponenten, beschreibt eine vierteilige Blog-Serie [8]). Mit Spark Cluster sowie Snowflake stehen für sich genommen zwei leistungsfähige Umgebungen für rechenintensive Aufgaben zur Verfügung. Mit dem aktuellen Snowflake Connector für Spark ist eine intelligente Arbeitsteilung mittels Query Pushdown erreichbar. Dabei entscheidet Spark’s optimizer (Catalyst), welche Aufgaben (Queries) aufgrund der effizienteren Verarbeitung an Snowflake delegiert werden [9].

Abbildung 5: Jupyter Notebook in der Cloud – integriert mit Multi-Node Spark Cluster und Snowflake Cloud Data Warehouse

Welches Machine Learning Framework für welche Aufgabenstellung?

Bevor die nächsten Abschnitte weitere Werkzeuge und Technologien betrachten, macht es nicht nur für Data Scientists sondern auch für IT-Architekten Sinn, zunächst einen Überblick auf die derzeit verfügbaren Machine Learning Frameworks zu bekommen. Aus Architekturperspektive ist es wichtig zu verstehen, welche Aufgabenstellungen die jeweiligen ML-Frameworks adressieren, welche technischen Anforderungen und ggf. auch Abhängigkeiten zu den verfügbaren Datenquellen bestehen. Ein gemeinsamer Nenner vieler gescheiterter Machine Learning-Projekte ist häufig die Auswahl des falschen Frameworks. Ein Beispiel: TensorFlow ist aktuell eines der wichtigsten Frameworks zur Programmierung von neuronalen Netzen, Deep Learning Modellen sowie anderer Machine Learning Algorithmen. Während Deep Learning perfekt zur Untersuchung komplexer Daten wie Bild- und Audiodaten passt, wird es zunehmend auch für Use Cases benutzt, für die andere Frameworks besser geeignet sind. Bild 6 zeigt eine kompakte Entscheidungsmatrix [10] für die derzeit verbreitetsten ML-Frameworks und adressiert häufige Praxisprobleme: Entweder werden Algorithmen benutzt, die für den Use Case nicht oder kaum geeignet sind oder das gewählte Framework kann die aufkommenden Datenmengen nicht bewältigen. Die Unterteilung der Frameworks in Small Data, Big Data und Complex Data ist etwas plakativ, soll aber bei der Auswahl der Frameworks nach Art und Volumen der Daten helfen. Die Grenze zwischen Big Data zu Small Data ist dabei dort zu ziehen, wo die Datenmengen so groß sind, dass sie nicht mehr auf einem einzelnen Computer, sondern in einem verteilten Cluster ausgewertet werden müssen. Complex Data steht in dieser Matrix für unstrukturierte Daten wie Bild- und Audiodateien, für die sich Deep Learning Frameworks sehr gut eignen.

Abbildung 6: Entscheidungsmatrix zu aktuell verbreiteten Machine Learning Frameworks

Self-Service Machine Learning in Business Intelligence-Tools

Mit einfach zu bedienenden Business Intelligence-Werkzeugen zur Datenvisualisierung ist es für Analytiker und für weniger technisch versierte Anwender recht einfach, komplexe Daten aussagekräftig in interaktiven Dashboards zu präsentieren. Hersteller wie Tableau, Qlik und Oracle spielen ihre Stärken insbesondere im Bereich Visual Analytics aus. Statt statische Berichte oder Excel-Dateien vor dem nächsten Meeting zu verschicken, erlauben moderne Besprechungs- und Kreativräume interaktive Datenanalysen am Smartboard inklusive Änderung der Abfragefilter, Perspektivwechsel und Drill-downs. Im Rahmen von Data Science-Projekten können diese Werkzeuge sowohl zur Exploration von Daten als auch zur Visualisierung der Ergebnisse komplexer Machine Learning-Modelle sinnvoll eingesetzt werden. Prognosen, Scores und weiterer ML-Modell-Output lässt sich so schneller verstehen und unterstützt die Entscheidungsfindung bzw. Ableitung der nächsten Maßnahmen für den Geschäftsprozess. Im Rahmen einer IT-Gesamtarchitektur sind Analyse-Notebooks und Datenvisualisierungswerkzeuge für die Standard-Analytics-Toolbox Unternehmens gesetzt. Mit Hinblick auf effiziente Team-Zusammenarbeit, unternehmensinternen Austausch und Kommunikation von Ergebnissen sollte aber nicht nur auf reine Desktop-Werkzeuge gesetzt, sondern Server-Lösungen betrachtet und zusammen mit einem Nutzerkonzept eingeführt werden, um zehnfache Report-Dubletten, konkurrierende Statistiken („MS Excel Hell“) einzudämmen.

Abbildung 7: Datenexploration in Tableau – leicht gemacht für Fachanwender und Data Scientists

 

Zusätzliche Statistikfunktionen bis hin zur Möglichkeit R- und Python-Code bei der Analyse auszuführen, öffnet auch Fachanwender die Tür zur Welt des Maschinellen Lernens. Bild 7 zeigt das Werkzeug Tableau Desktop mit der Analyse kalifornischer Hauspreise (demselben Datensatz wie oben im Jupyter Notebook-Abschnitt wie in Bild 4) und einer Heatmap-Visualisierung zur Hervorhebung der teuersten Wohnlagen. Mit wenigen Klicks ist auch der Einsatz deskriptiver Statistik möglich, mit der sich neben Lagemaßen (Median, Quartilswerte) auch Streuungsmaße (Spannweite, Interquartilsabstand) sowie die Form der Verteilung direkt aus dem Box-Plot in Bild 7 ablesen und sogar über das Vorhandensein von Ausreißern im Datensatz eine Feststellung treffen lassen. Vorteil dieser Visualisierungen sind ihre hohe Informationsdichte, die allerdings vom Anwender auch richtig interpretiert werden muss. Bei der Beurteilung der Attribute, mit ihren Wertausprägungen und Abhängigkeiten innerhalb des Data Sets, benötigen Citizen Data Scientists (eine Wortschöpfung von Gartner) allerdings dann doch die mathematischen bzw. statistischen Grundlagen, um Falschinterpretationen zu vermeiden. Fraglich ist auch der Nutzen des Data Flow Editors [11] in Oracle Data Visualization, mit dem eins oder mehrere der im Werkzeug integrierten Machine Learning-Modelle trainiert und evaluiert werden können: technisch lassen sich Ergebnisse erzielen und anhand einiger Performance-Metriken die Modellgüte auch bewerten bzw. mit anderen Modellen vergleichen – aber wer kann die erzielten Ergebnisse (wissenschaftlich) verteidigen? Gleiches gilt für die Integration vorhandener R- und Python Skripte, die am Ende dann doch eine Einweisung der Anwender bzgl. Parametrisierung der ML-Modelle und Interpretationshilfen bei den erzielten Ergebnissen erfordern.

Machine Learning in und mit Datenbanken

Die Nutzung eingebetteter 1-click Analytics-Funktionen der oben vorgestellten Data Visualization-Tools ist zweifellos komfortabel und zum schnellen Experimentieren geeignet. Der gegenteilige und eher puristische Ansatz wäre dagegen die Implementierung eigener Machine Learning Modelle in der Datenbank. Für die Umsetzung des gewählten Algorithmus reichen schon vorhandene Bordmittel in der Datenbank aus: SQL inklusive mathematischer und statistische SQL-Funktionen, Tabellen zum Speichern der Ergebnisse bzw. für das ML-Modell-Management und Stored Procedures zur Abbildung komplexer Geschäftslogik und auch zur Ablaufsteuerung. Solange die Algorithmen ausreichend skalierbar sind, gibt es viele gute Gründe, Ihre Data Warehouse Engine für ML einzusetzen:

  • Einfachheit – es besteht keine Notwendigkeit, eine andere Compute-Plattform zu managen, zwischen Systemen zu integrieren und Daten zu extrahieren, transferieren, laden, analysieren usw.
  • Sicherheit – Die Daten bleiben dort, wo sie gut geschützt sind. Es ist nicht notwendig, Datenbank-Anmeldeinformationen in externen Systemen zu konfigurieren oder sich Gedanken darüber zu machen, wo Datenkopien verteilt sein könnten.
  • Performance – Eine gute Data Warehouse Engine verwaltet zur Optimierung von SQL Abfragen viele Metadaten, die auch während des ML-Prozesses wiederverwendet werden könnten – ein Vorteil gegenüber General-purpose Compute Plattformen.

Die Implementierung eines minimalen, aber legitimen ML-Algorithmus wird in [12] am Beispiel eines Entscheidungsbaums (Decision Tree) im Snowflake Data Warehouse gezeigt. Decision Trees kommen für den Aufbau von Regressions- oder Klassifikationsmodellen zum Einsatz, dabei teilt man einen Datensatz in immer kleinere Teilmengen auf, die ihrerseits in einem Baum organisiert sind. Bild 8 zeigt die Snowflake Benutzer­oberfläche und ein Ausschnitt von der Stored Procedure, die dynamisch alle SQL-Anweisungen zur Berechnung des Decision Trees nach dem ID3 Algorithmus [13] generiert.

Abbildung 8: Snowflake SQL-Editor mit Stored Procedure zur Berechnung eines Decission Trees

Allerdings ist der Entwicklungs- und Implementierungsprozess für ein Machine Learning Modell umfassender: Es sind relevante Daten zu identifizieren und für das ML-Modell vorzubereiten. Einfach Rohdaten bzw. nicht aggregierten Informationen aus Datenbanktabellen zu extrahieren reicht nicht aus, stattdessen benötigt ein ML-Modell als Input eine flache, meist sehr breite Tabelle mit vielen Aggregaten, die als Features bezeichnet werden. Erst dann kann der Prozess fortgesetzt und der für die Aufgabenstellung ausgewählte Algorithmus trainiert und die Modellgüte bewertet werden. Ist das Ergebnis zufriedenstellend, steht die Implementierung des ML-Modells in der Zielumgebung an und muss sich künftig beim Scoring „frischer Datensätze“ bewähren. Viele zeitaufwändige Teilaufgaben also, bei der zumindest eine Teilautomatisierung wünschenswert wäre. Allein die Datenaufbereitung kann schon bis zu 70…80% der gesamten Projektzeit beanspruchen. Und auch die Implementierung eines ML-Modells wird häufig unterschätzt, da in Produktionsumgebungen der unterstützte Technologie-Stack definiert und ggf. für Machine Learning-Aufgaben erweitert werden muss. Daher ist es reizvoll, wenn das Datenbankmanagement-System auch hier einsetzbar ist – sofern die geforderten Algorithmen dort abbildbar sind. Wie ein ML-Modell für die Kundenabwanderungsprognose (Churn Prediction) werkzeuggestützt mit Xpanse AI entwickelt und beschleunigt im Snowflake Cloud Data Warehouse bereitgestellt werden kann, beschreibt [14] sehr anschaulich: Die benötigten Datenextrakte sind schnell aus Snowflake entladen und stellen den Input für ein neues Xpanse AI-Projekt dar. Sobald notwendige Tabellenverknüpfungen und andere fachliche Informationen hinterlegt sind, analysiert das Tool Datenstrukturen und transformiert alle Eingangstabellen in eine flache Zwischentabelle (u.U. mit Hunderten von Spalten), auf deren Basis im Anschluss ML-Modelle trainiert werden. Nach dem ML-Modell-Training erfolgt die Begutachtung der Ergebnisse: das erstellte Dataset, Güte des ML-Modells und der generierte SQL(!) ETL-Code zur Erstellung der Zwischentabelle sowie die SQL-Repräsentation des ML-Modells, das basierend auf den Input-Daten Wahrscheinlichkeitswerte berechnet und in einer Scoring-Tabelle ablegt. Die Vorteile dieses Ansatzes sind liegen auf der Hand: kürzere Projektzeiten, der Einsatz im Rahmen des Snowflake Cloud Data Warehouse, macht das Experimentieren mit der Zuweisung dedizierter Compute-Ressourcen für die performante Verarbeitung äußerst einfach. Grenzen liegen wiederum bei der zur Verfügung stehenden Algorithmen.

Spezialisierte Software Suites für Machine Learning

Während sich im Markt etablierte Business Intelligence- und Datenintegrationswerkzeuge mit Erweiterungen zur Ausführung von Python- und R-Code als notwendigen Bestandteil der Analyse-Toolbox für den Data Science Prozess positionieren, gibt es daneben auch Machine-Learning-Plattformen, die auf die Arbeit mit künstlicher Intelligenz (KI) zugeschnittenen sind. Für den Einstieg in Data Science bieten sich die oft vorhandenen quelloffenen Distributionen an, die auch über Enterprise-Versionen mit erweiterten Möglichkeiten für beschleunigtes maschinelles Lernen durch Einsatz von Grafikprozessoren (GPUs), bessere Skalierung sowie Funktionen für das ML-Modell Management (z.B. durch Versionsmanagement und Automatisierung) verfügen.

Eine beliebte Machine Learning-Suite ist das Open Source Projekt H2O. Die Lösung des gleichnamigen kalifornischen Unternehmens verfügt über eine R-Schnittstelle und ermöglicht Anwendern dieser statistischen Programmiersprache Vorteile in puncto Performance. Die in H2O verfügbaren Funktionen und Algorithmen sind optimiert und damit eine gute Alternative für das bereits standardmäßig in den R-Paketen verfügbare Funktionsset. H2O implementiert Algorithmen aus dem Bereich Statistik, Data-Mining und Machine Learning (generalisierte Lineare Modelle, K-Means, Random Forest, Gradient Boosting und Deep Learning) und bietet mit einer In-Memory-Architektur und durch standardmäßige Parallelisierung über alle vorhandenen Prozessorkerne eine gute Basis, um komplexe Machine-Learning-Modelle schneller trainieren zu können. Bild 9 zeigt wieder anhand des Datensatzes zur Analyse der kalifornischen Hauspreise die webbasierte Benutzeroberfläche H20 Flow, die den oben beschriebenen Juypter Notebook-Ansatz mit zusätzlich integrierter Benutzerführung für die wichtigsten Prozessschritte eines Machine-Learning-Projektes kombiniert. Mit einigen Klicks kann das California Housing Dataset importiert, in einen H2O-spezifischen Dataframe umgewandelt und anschließend in Trainings- und Testdatensets aufgeteilt werden. Auswahl, Konfiguration und Training der Machine Learning-Modelle erfolgt entweder durch den Anwender im Einsteiger-, Fortgeschrittenen- oder Expertenmodus bzw. im Auto-ML-Modus. Daran anschließend erlaubt H20 Flow die Vorhersage für die Zielvariable (im Beispiel: Hauspreis) für noch unbekannte Datensätze und die Aufbereitung der Ergebnismenge. Welche Unterstützung H2O zur Produktivsetzung von ML-Modellen anbietet, wird an einem Beispiel in den folgenden Abschnitten betrachtet.

Abbildung 9: H2O Flow Benutzeroberfläche – Datenaufbereitung, ML-Modell-Training und Evaluierung.

Vom Prototyp zur produktiven Machine Learning-Lösung

Warum ist es für viele Unternehmen noch schwer, einen Nutzen aus ihren ersten Data Science-Aktivitäten, Data Labs etc. zu ziehen? In der Praxis zeigt sich, erst durch Operationalisierung von Machine Learning-Resultaten in der Produktionsumgebung entsteht echter Geschäftswert und nur im Tagesgeschäft helfen robuste ML-Modelle mit hoher Güte bei der Erreichung der gesteckten Unternehmensziele. Doch leider erweist sich der Weg vom Prototypen bis hin zum Produktiveinsatz bei vielen Initativen noch als schwierig. Bild 10 veranschaulicht ein typisches Szenario: Data Science-Teams fällt es in ihrer Data Lab-Umgebung technisch noch leicht, Prototypen leistungsstarker ML-Modelle mit Hilfe aktueller ML-Frameworks wie TensorFlow-, Keras- und Word2Vec auf ihren Laptops oder in einer Sandbox-Umgebung zu erstellen. Doch je nach verfügbarer Infrastruktur kann, wegen Begrenzungen bei Rechenleistung oder Hauptspeicher, nur ein Subset der Produktionsdaten zum Trainieren von ML-Modellen herangezogen werden. Ergebnispräsentationen an die Stakeholder der Data Science-Projekte erfolgen dann eher durch Storytelling in MS Powerpoint bzw. anhand eines Demonstrators – selten aber technisch schon so umgesetzt, dass anderere Applikationen z.B. über eine REST-API von dem neuen Risiko Scoring-, dem Bildanalyse-Modul etc. (testweise) Gebrauch machen können. Ausgestattet mit einer Genehmigung vom Management, übergibt das Data Science-Team ein (trainiertes) ML-Modell an das Software Engineering-Team. Nach der Übergabe muss sich allerdings das Engineering-Team darum kümmern, dass das ML-Modell in eine für den Produktionsbetrieb akzeptierte Programmiersprache, z.B. in Java, neu implementiert werden muss, um dem IT-Unternehmensstandard (siehe Line of Governance in Bild 10) bzw. Anforderungen an Skalierbarkeit und Laufzeitverhalten zu genügen. Manchmal sind bei einem solchen Extraschritt Abweichungen beim ML-Modell-Output und in jedem Fall signifikante Zeitverluste beim Deployment zu befürchten.

Abbildung 10: Übergabe von Machine Learning-Resultaten zur Produktivsetzung im Echtbetrieb

Unterstützt das Data Science-Team aktiv bei dem Deployment, dann wäre die Einbettung des neu entwickelten ML-Modells in eine Web-Applikation eine beliebte Variante, bei der typischerweise Flask, Tornado (beides Micro-Frameworks für Python) und Shiny (ein auf R basierendes HTML5/CSS/JavaScript Framework) als Technologiekomponenten zum Zuge kommen. Bei diesem Vorgehen müssen ML-Modell, Daten und verwendete ML-Pakete/Abhängigkeiten in einem Format verpackt werden, das sowohl in der Data Science Sandbox als auch auf Produktionsservern lauffähig ist. Für große Unternehmen kann dies einen langwierigen, komplexen Softwareauslieferungsprozess bedeuten, der ggf. erst noch zu etablieren ist. In dem Zusammenhang stellt sich die Frage, wie weit die Erfahrung des Data Science-Teams bei der Entwicklung von Webanwendungen reicht und Aspekte wie Loadbalancing und Netzwerkverkehr ausreichend berücksichtigt? Container-Virtualisierung, z.B. mit Docker, zur Isolierung einzelner Anwendungen und elastische Cloud-Lösungen, die on-Demand benötigte Rechenleistung bereitstellen, können hier Abhilfe schaffen und Teil der Lösungsarchitektur sein. Je nach analytischer Aufgabenstellung ist das passende technische Design [15] zu wählen: Soll das ML-Modell im Batch- oder Near Realtime-Modus arbeiten? Ist ein Caching für wiederkehrende Modell-Anfragen vorzusehen? Wie wird das Modell-Deployment umgesetzt, In-Memory, Code-unabhängig durch Austauschformate wie PMML, serialisiert via R- oder Python-Objekte (Pickle) oder durch generierten Code? Zusätzlich muss für den Produktiveinsatz von ML-Modellen auch an unterstützenden Konzepten zur Bereitstellung, Routing, Versions­management und Betrieb im industriellen Maßstab gearbeitet werden, damit zuverlässige Machine Learning-Produkte bzw. -Services zur internen und externen Nutzung entstehen können (siehe dazu Bild 11)

Abbildung 11: Unterstützende Funktionen für produktive Machine Learning-Lösungen

Die Deployment-Variante „Machine Learning Code-Generierung“ lässt sich gut an dem bereits mit H2O Flow besprochenen Beispiel veranschaulichen. Während Bild 9 hierzu die Schritte für Modellaufbau, -training und -test illustriert, zeigt Bild 12 den Download-Vorgang für den zuvor generierten Java-Code zum Aufbau eines ML-Modells zur Vorhersage kalifornischer Hauspreise. In dem generierten Java-Code sind die in H2O Flow vorgenommene Datenaufbereitung sowie alle Konfigurationen für den Gradient Boosting Machine (GBM)-Algorithmus gut nachvollziehbar, Bild 13 gibt mit den ersten Programmzeilen einen ersten Eindruck dazu und erinnert gleichzeitig an den ähnlichen Ansatz der oben mit dem Snowflake Cloud Data Warehouse und dem Tool Xpanse AI bereits beschrieben wurde.

Abbildung 12: H2O Flow Benutzeroberfläche – Java-Code Generierung und Download eines trainierten Models

Abbildung 13: Generierter Java-Code eines Gradient Boosted Machine – Modells zur Vorhersage kaliforn. Hauspreise

Nach Abschluss der Machine Learning-Entwicklung kann der Java-Code des neuen ML-Modells, z.B. unter Verwendung der Apache Kafka Streams API, zu einer Streaming-Applikation hinzugefügt und publiziert werden [16]. Vorteil dabei: Die Kafka Streams-Applikation ist selbst eine Java-Applikation, in die der generierte Code des ML-Modells eingebettet werden kann (siehe Bild 14). Alle zukünftigen Events, die neue Immobilien-Datensätze zu Häusern aus Kalifornien mit (denselben) Features wie Geoposition, Alter des Gebäudes, Anzahl Zimmer etc. enthalten und als ML-Modell-Input über Kafka Streams hereinkommen, werden mit einer Vorhersage des voraussichtlichen Gebäudepreises von dem auf historischen Daten trainierten ML-Algorithmus beantwortet. Ein Vorteil dabei: Weil die Kafka Streams-Applikation unter der Haube alle Funktionen von Apache Kafka nutzt, ist diese neue Anwendung bereits für den skalierbaren und geschäftskritischen Einsatz ausgelegt.

Abbildung 14: Deployment des generierten Java-Codes eines H2O ML-Models in einer Kafka Streams-Applikation

Machine Learning as a Service – “API-first” Ansatz

In den vorherigen Abschnitten kam bereits die Herausforderung zur Sprache, wenn es um die Überführung der Ergebnisse eines Datenexperiments in eine Produktivumgebung geht. Während die Mehrheit der Mitglieder eines Data Science Teams bevorzugt R, Python (und vermehrt Julia) als Programmiersprache einsetzen, gibt es auf der Abnehmerseite das Team der Softwareingenieure, die für technische Implementierungen in der Produktionsumgebung zuständig sind, womöglich einen völlig anderen Technologie-Stack verwenden (müssen). Im Extremfall droht das Neuimplementieren eines Machine Learning-Modells, im besseren Fall kann Code oder die ML-Modellspezifikation transferiert und mit wenig Aufwand eingebettet (vgl. das Beispiel H2O und Apache Kafka Streams Applikation) bzw. direkt in einer neuen Laufzeitumgebung ausführbar gemacht werden. Alternativ wählt man einen „API-first“-Ansatz und entkoppelt das Zusammenwirken von unterschiedlich implementierten Applikationen bzw. -Applikationsteilen via Web-API’s. Data Science-Teams machen hierzu z.B. die URL Endpunkte ihrer testbereiten Algorithmen bekannt, die von anderen Softwareentwicklern für eigene „smarte“ Applikationen konsumiert werden. Durch den Aufbau von REST-API‘s kann das Data Science-Team den Code ihrer ML-Modelle getrennt von den anderen Teams weiterentwickeln und damit eine Arbeitsteilung mit klaren Verantwortlichkeiten herbeiführen, ohne Teamkollegen, die nicht am Machine Learning-Aspekt des eines Projekts beteiligt sind, bei ihrer Arbeit zu blockieren.

Bild 15 zeigt ein einfaches Szenario, bei dem die Gegenstandserkennung von beliebigen Bildern mit einem Deep Learning-Verfahren umgesetzt ist. Einzelne Fotos können dabei via Kommandozeileneditor als Input für die Bildanalyse an ein vortrainiertes Machine Learning-Modell übermittelt werden. Die Information zu den erkannten Gegenständen inkl. Wahrscheinlichkeitswerten kommt dafür im Gegenzug als JSON-Ausgabe zurück. Für die Umsetzung dieses Beispiels wurde in Python auf Basis der Open Source Deep-Learning-Bibliothek Keras, ein vortrainiertes ML-Modell mit Hilfe des Micro Webframeworks Flask über eine REST-API aufrufbar gemacht. Die in [17] beschriebene Applikation kümmert sich außerdem darum, dass beliebige Bilder via cURL geladen, vorverarbeitet (ggf. Wandlung in RGB, Standardisierung der Bildgröße auf 224 x 224 Pixel) und dann zur Klassifizierung der darauf abgebildeten Gegenstände an das ML-Modell übergeben wird. Das ML-Modell selbst verwendet eine sog. ResNet50-Architektur (die Abkürzung steht für 50 Layer Residual Network) und wurde auf Grundlage der öffentlichen ImageNet Bilddatenbank [18] vortrainiert. Zu dem ML-Modell-Input (in Bild 15: Fußballspieler in Aktion) meldet das System für den Tester nachvollziehbare Gegenstände wie Fußball, Volleyball und Trikot zurück, fragliche Klassifikationen sind dagegen Taschenlampe (Torch) und Schubkarre (Barrow).

Abbildung 15: Gegenstandserkennung mit Machine Learning und vorgegebenen Bildern via REST-Service

Bei Aufbau und Bereitstellung von Machine Learning-Funktionen mittels REST-API’s bedenken IT-Architekten und beteiligte Teams, ob der Einsatzzweck eher Rapid Prototyping ist oder eine weitreichende Nutzung unterstützt werden muss. Während das oben beschriebene Szenario mit Python, Keras und Flask auf einem Laptop realisierbar ist, benötigen skalierbare Deep Learning Lösungen mehr Aufmerksamkeit hinsichtlich der Deployment-Architektur [19], in dem zusätzlich ein Message Broker mit In-Memory Datastore eingehende bzw. zu analysierende Bilder puffert und dann erst zur Batch-Verarbeitung weiterleitet usw. Der Einsatz eines vorgeschalteten Webservers, Load Balancers, Verwendung von Grafikprozessoren (GPUs) sind weitere denkbare Komponenten für eine produktive ML-Architektur.

Als abschließendes Beispiel für einen leistungsstarken (und kostenpflichtigen) Machine Learning Service soll die Bildanalyse von Google Cloud Vision [20] dienen. Stellt man dasselbe Bild mit der Fußballspielszene von Bild 15 und Bild 16 bereit, so erkennt der Google ML-Service neben den Gegenständen weit mehr Informationen: Kontext (Teamsport, Bundesliga), anhand der Gesichtserkennung den Spieler selbst  und aktuelle bzw. vorherige Mannschaftszugehörigkeiten usw. Damit zeigt sich am Beispiel des Tech-Giganten auch ganz klar: Es kommt vorallem auf die verfügbaren Trainingsdaten an, inwieweit dann mit Algorithmen und einer dazu passenden Automatisierung (neue) Erkenntnisse ohne langwierigen und teuren manuellen Aufwand gewinnen kann. Einige Unternehmen werden feststellen, dass ihr eigener – vielleicht einzigartige – Datenschatz einen echten monetären Wert hat?

Abbildung 16: Machine Learning Bezahlprodukt (Google Vision)

Fazit

Machine Learning ist eine interessante “Challenge” für Architekten. Folgende Punkte sollte man bei künftigen Initativen berücksichtigen:

  • Finden Sie das richtige Geschäftsproblem bzw geeignete Use Cases
  • Identifizieren und definieren Sie die Einschränkungen (Sind z.B. genug Daten vorhanden?) für die zu lösende Aufgabenstellung
  • Nehmen Sie sich Zeit für das Design von Komponenten und Schnittstellen
  • Berücksichtigen Sie frühzeitig mögliche organisatorische Gegebenheiten und Einschränkungen
  • Denken Sie nicht erst zum Schluss an die Produktivsetzung Ihrer analytischen Modelle oder Machine Learning-Produkte
  • Der Prozess ist insgesamt eine Menge Arbeit, aber es ist keine Raketenwissenschaft.

Quellenverzeichnis

[1] Bill Schmarzo: “What’s the Difference Between Data Integration and Data Engineering?”, LinkedIn Pulse -> Link, 2018
[2] William Vorhies: “CRISP-DM – a Standard Methodology to Ensure a Good Outcome”, Data Science Central -> Link, 2016
[3] Bill Schmarzo: “A Winning Game Plan For Building Your Data Science Team”, LinkedIn Pulse -> Link, 2018
[4] D. Sculley, G. Holt, D. Golovin, E. Davydov, T. Phillips, D. Ebner, V. Chaudhary, M. Young, J.-F. Crespo, D. Dennison: “Hidden technical debt in Machine learning systems”. In NIPS’15 Proceedings of the 28th International Conference on Neural Information Processing Systems – Volume 2, 2015
[5] K. Bollhöfer: „Data Science – the what, the why and the how!“, Präsentation von The unbelievable Machine Company, 2015
[6] Carlton E. Sapp: “Preparing and Architecting for Machine Learning”, Gartner, 2017
[7] A. Geron: “California Housing” Dataset, Jupyter Notebook. GitHub.com -> Link, 2018
[8] R. Fehrmann: “Connecting a Jupyter Notebook to Snowflake via Spark” -> Link, 2018
[9] E. Ma, T. Grabs: „Snowflake and Spark: Pushing Spark Query Processing to Snowflake“ -> Link, 2017
[10] Dr. D. James: „Entscheidungsmatrix „Machine Learning“, it-novum.com ->  Link, 2018
[11] Oracle Analytics@YouTube: “Oracle DV – ML Model Comparison Example”, Video -> Link
[12] J. Weakley: Machine Learning in Snowflake, Towards Data Science Blog -> Link, 2019
[13] Dr. S. Sayad: An Introduction to Data Science, Website -> Link, 2019
[14] U. Bethke: Build a Predictive Model on Snowflake in 1 day with Xpanse AI, Blog à Link, 2019
[15] Sergei Izrailev: Design Patterns for Machine Learning in Production, Präsentation H2O World, 2017
[16] K. Wähner: How to Build and Deploy Scalable Machine Learning in Production with Apache Kafka, Confluent Blog -> Link, 2017
[17] A. Rosebrock: “Building a simple Keras + deep learning REST API”, The Keras Blog -> Link, 2018
[18] Stanford Vision Lab, Stanford University, Princeton University: Image database, Website -> Link
[19] A. Rosebrock: “A scalable Keras + deep learning REST API”, Blog -> Link, 2018
[20] Google Cloud Vision API (Beta Version) -> Link, abgerufen 2018

 

 

 

 

Perry Johnson

A Bird’s Eye View: How Machine Learning Can Help You Charge Your E-Scooters

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Bird scooters in Columbus, Ohio

Bird scooters in Columbus, Ohio

Ever since I started using bike-sharing to get around in Seattle, I have become fascinated with geolocation data and the transportation sharing economy. When I saw this project leveraging the mobility data RESTful API from the Los Angeles Department of Transportation, I was eager to dive in and get my hands dirty building a data product utilizing a company’s mobility data API.

Unfortunately, the major bike and scooter providers (Bird, JUMP, Lime) don’t have publicly accessible APIs. However, some folks have seemingly been able to reverse-engineer the Bird API used to populate the maps in their Android and iOS applications.

One interesting feature of this data is the nest_id, which indicates if the Bird scooter is in a “nest” — a centralized drop-off spot for charged Birds to be released back into circulation.

I set out to ask the following questions:

  1. Can real-time predictions be made to determine if a scooter is currently in a nest?
  2. For non-nest scooters, can new nest location recommendations be generated from geospatial clustering?

To answer these questions, I built a full-stack machine learning web application, NestGenerator, which provides an automated recommendation engine for new nest locations. This application can help power Bird’s internal nest location generation that runs within their Android and iOS applications. NestGenerator also provides real-time strategic insight for Bird chargers who are enticed to optimize their scooter collection and drop-off route based on proximity to scooters and nest locations in their area.

Bird

The electric scooter market has seen substantial growth with Bird’s recent billion dollar valuation  and their $300 million Series C round in the summer of 2018. Bird offers electric scooters that top out at 15 mph, cost $1 to unlock and 15 cents per minute of use. Bird scooters are in over 100 cities globally and they announced in late 2018 that they eclipsed 10 million scooter rides since their launch in 2017.

Bird scooters in Tel Aviv, Israel

Bird scooters in Tel Aviv, Israel

With all of these scooters populating cities, there’s much-needed demand for people to charge them. Since they are electric, someone needs to charge them! A charger can earn additional income for charging the scooters at their home and releasing them back into circulation at nest locations. The base price for charging each Bird is $5.00. It goes up from there when the Birds are harder to capture.

Data Collection and Machine Learning Pipeline

The full data pipeline for building “NestGenerator”

Data

From the details here, I was able to write a Python script that returned a list of Bird scooters within a specified area, their geolocation, unique ID, battery level and a nest ID.

I collected scooter data from four cities (Atlanta, Austin, Santa Monica, and Washington D.C.) across varying times of day over the course of four weeks. Collecting data from different cities was critical to the goal of training a machine learning model that would generalize well across cities.

Once equipped with the scooter’s latitude and longitude coordinates, I was able to leverage additional APIs and municipal data sources to get granular geolocation data to create an original scooter attribute and city feature dataset.

Data Sources:

  • Walk Score API: returns a walk score, transit score and bike score for any location.
  • Google Elevation API: returns elevation data for all locations on the surface of the earth.
  • Google Places API: returns information about places. Places are defined within this API as establishments, geographic locations, or prominent points of interest.
  • Google Reverse Geocoding API: reverse geocoding is the process of converting geographic coordinates into a human-readable address.
  • Weather Company Data: returns the current weather conditions for a geolocation.
  • LocationIQ: Nearby Points of Interest (PoI) API returns specified PoIs or places around a given coordinate.
  • OSMnx: Python package that lets you download spatial geometries and model, project, visualize, and analyze street networks from OpenStreetMap’s APIs.

Feature Engineering

After extensive API wrangling, which included a four-week prolonged data collection phase, I was finally able to put together a diverse feature set to train machine learning models. I engineered 38 features to classify if a scooter is currently in a nest.

Full Feature Set

Full Feature Set

The features boiled down into four categories:

  • Amenity-based: parks within a given radius, gas stations within a given radius, walk score, bike score
  • City Network Structure: intersection count, average circuity, street length average, average streets per node, elevation level
  • Distance-based: proximity to closest highway, primary road, secondary road, residential road
  • Scooter-specific attributes: battery level, proximity to closest scooter, high battery level (> 90%) scooters within a given radius, total scooters within a given radius

 

Log-Scale Transformation

For each feature, I plotted the distribution to explore the data for feature engineering opportunities. For features with a right-skewed distribution, where the mean is typically greater than the median, I applied these log transformations to normalize the distribution and reduce the variability of outlier observations. This approach was used to generate a log feature for proximity to closest scooter, closest highway, primary road, secondary road, and residential road.

An example of a log transformation

Statistical Analysis: A Systematic Approach

Next, I wanted to ensure that the features I included in my model displayed significant differences when broken up by nest classification. My thinking was that any features that did not significantly differ when stratified by nest classification would not have a meaningful predictive impact on whether a scooter was in a nest or not.

Distributions of a feature stratified by their nest classification can be tested for statistically significant differences. I used an unpaired samples t-test with a 0.01% significance level to compute a p-value and confidence interval to determine if there was a statistically significant difference in means for a feature stratified by nest classification. I rejected the null hypothesis if a p-value was smaller than the 0.01% threshold and if the 99.9% confidence interval did not straddle zero. By rejecting the null-hypothesis in favor of the alternative hypothesis, it’s deemed there is a significant difference in means of a feature by nest classification.

Battery Level Distribution Stratified by Nest Classification to run a t-test

Battery Level Distribution Stratified by Nest Classification to run a t-test

Log of Closest Scooter Distribution Stratified by Nest Classification to run a t-test

Throwing Away Features

Using the approach above, I removed ten features that did not display statistically significant results.

Statistically Insignificant Features Removed Before Model Development

Model Development

I trained two models, a random forest classifier and an extreme gradient boosting classifier since tree-based models can handle skewed data, capture important feature interactions, and provide a feature importance calculation. I trained the models on 70% of the data collected for all four cities and reserved the remaining 30% for testing.

After hyper-parameter tuning the models for performance on cross-validation data it was time to run the models on the 30% of test data set aside from the initial data collection.

I also collected additional test data from other cities (Columbus, Fort Lauderdale, San Diego) not involved in training the models. I took this step to ensure the selection of a machine learning model that would generalize well across cities. The performance of each model on the additional test data determined which model would be integrated into the application development.

Performance on Additional Cities Test Data

The Random Forest Classifier displayed superior performance across the board

The Random Forest Classifier displayed superior performance across the board

I opted to move forward with the random forest model because of its superior performance on AUC score and accuracy metrics on the additional cities test data. AUC is the Area under the ROC Curve, and it provides an aggregate measure of model performance across all possible classification thresholds.

AUC Score on Test Data for each Model

AUC Score on Test Data for each Model

Feature Importance

Battery level dominated as the most important feature. Additional important model features were proximity to high level battery scooters, proximity to closest scooter, and average distance to high level battery scooters.

Feature Importance for the Random Forest Classifier

Feature Importance for the Random Forest Classifier

The Trade-off Space

Once I had a working machine learning model for nest classification, I started to build out the application using the Flask web framework written in Python. After spending a few days of writing code for the application and incorporating the trained random forest model, I had enough to test out the basic functionality. I could finally run the application locally to call the Bird API and classify scooter’s into nests in real-time! There was one huge problem, though. It took more than seven minutes to generate the predictions and populate in the application. That just wasn’t going to cut it.

The question remained: will this model deliver in a production grade environment with the goal of making real-time classifications? This is a key trade-off in production grade machine learning applications where on one end of the spectrum we’re optimizing for model performance and on the other end we’re optimizing for low latency application performance.

As I continued to test out the application’s performance, I still faced the challenge of relying on so many APIs for real-time feature generation. Due to rate-limiting constraints and daily request limits across so many external APIs, the current machine learning classifier was not feasible to incorporate into the final application.

Run-Time Compliant Application Model

After going back to the drawing board, I trained a random forest model that relied primarily on scooter-specific features which were generated directly from the Bird API.

Through a process called vectorization, I was able to transform the geolocation distance calculations utilizing NumPy arrays which enabled batch operations on the data without writing any “for” loops. The distance calculations were applied simultaneously on the entire array of geolocations instead of looping through each individual element. The vectorization implementation optimized real-time feature engineering for distance related calculations which improved the application response time by a factor of ten.

Feature Importance for the Run-time Compliant Random Forest Classifier

Feature Importance for the Run-time Compliant Random Forest Classifier

This random forest model generalized well on test-data with an AUC score of 0.95 and an accuracy rate of 91%. The model retained its prediction accuracy compared to the former feature-rich model, but it gained 60x in application performance. This was a necessary trade-off for building a functional application with real-time prediction capabilities.

Geospatial Clustering

Now that I finally had a working machine learning model for classifying nests in a production grade environment, I could generate new nest locations for the non-nest scooters. The goal was to generate geospatial clusters based on the number of non-nest scooters in a given location.

The k-means algorithm is likely the most common clustering algorithm. However, k-means is not an optimal solution for widespread geolocation data because it minimizes variance, not geodetic distance. This can create suboptimal clustering from distortion in distance calculations at latitudes far from the equator. With this in mind, I initially set out to use the DBSCAN algorithm which clusters spatial data based on two parameters: a minimum cluster size and a physical distance from each point. There were a few issues that prevented me from moving forward with the DBSCAN algorithm.

  1. The DBSCAN algorithm does not allow for specifying the number of clusters, which was problematic as the goal was to generate a number of clusters as a function of non-nest scooters.
  2. I was unable to hone in on an optimal physical distance parameter that would dynamically change based on the Bird API data. This led to suboptimal nest locations due to a distortion in how the physical distance point was used in clustering. For example, Santa Monica, where there are ~15,000 scooters, has a higher concentration of scooters in a given area whereas Brookline, MA has a sparser set of scooter locations.

An example of how sparse scooter locations vs. highly concentrated scooter locations for a given Bird API call can create cluster distortion based on a static physical distance parameter in the DBSCAN algorithm. Left:Bird scooters in Brookline, MA. Right:Bird scooters in Santa Monica, CA.

An example of how sparse scooter locations vs. highly concentrated scooter locations for a given Bird API call can create cluster distortion based on a static physical distance parameter in the DBSCAN algorithm. Left:Bird scooters in Brookline, MA. Right:Bird scooters in Santa Monica, CA.

Given the granularity of geolocation scooter data I was working with, geospatial distortion was not an issue and the k-means algorithm would work well for generating clusters. Additionally, the k-means algorithm parameters allowed for dynamically customizing the number of clusters based on the number of non-nest scooters in a given location.

Once clusters were formed with the k-means algorithm, I derived a centroid from all of the observations within a given cluster. In this case, the centroids are the mean latitude and mean longitude for the scooters within a given cluster. The centroids coordinates are then projected as the new nest recommendations.

NestGenerator showcasing non-nest scooters and new nest recommendations utilizing the K-Means algorithm

NestGenerator showcasing non-nest scooters and new nest recommendations utilizing the K-Means algorithm.

NestGenerator Application

After wrapping up the machine learning components, I shifted to building out the remaining functionality of the application. The final iteration of the application is deployed to Heroku’s cloud platform.

In the NestGenerator app, a user specifies a location of their choosing. This will then call the Bird API for scooters within that given location and generate all of the model features for predicting nest classification using the trained random forest model. This forms the foundation for map filtering based on nest classification. In the app, a user has the ability to filter the map based on nest classification.

Drop-Down Map View filtering based on Nest Classification

Drop-Down Map View filtering based on Nest Classification

Nearest Generated Nest

To see the generated nest recommendations, a user selects the “Current Non-Nest Scooters & Predicted Nest Locations” filter which will then populate the application with these nest locations. Based on the user’s specified search location, a table is provided with the proximity of the five closest nests and an address of the Nest location to help inform a Bird charger in their decision-making.

NestGenerator web-layout with nest addresses and proximity to nearest generated nests

NestGenerator web-layout with nest addresses and proximity to nearest generated nests

Conclusion

By accurately predicting nest classification and clustering non-nest scooters, NestGenerator provides an automated recommendation engine for new nest locations. For Bird, this application can help power their nest location generation that runs within their Android and iOS applications. NestGenerator also provides real-time strategic insight for Bird chargers who are enticed to optimize their scooter collection and drop-off route based on scooters and nest locations in their area.

Code

The code for this project can be found on my GitHub

Comments or Questions? Please email me an E-Mail!

 

Michael Lyamm

Closing the AI-skills gap with Upskilling

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Closing the AI-skills gap with Upskilling

Artificial Intelligent or as it is fancily referred as AI, has garnered huge popularity worldwide.  And given the career prospects it has, it definitely should. Almost everyone interested in technology sector has them rushing towards it, especially young and motivated fresh computer science graduates. Compared to other IT-related jobs AI pays way higher salary and have opportunities. According to a Glassdoor report, Data Scientist, one of the many related jobs, is the number one job with good salary, job openings and more. AI-related jobs include Data Scientists, Analysts, Machine Learning Engineer, NLP experts etc.

AI has found applications in almost every industry and thus it has picked up demand. Home assistants – Siri, Ok Google, Amazon Echo — chatbots, and more some of the popular applications of AI.

Increasing adoption of AI across Industry

The advantages of AI like increased productivity has increased its adoption among companies. According to Gartner, 37 percent of enterprise currently use AI in one way or the other. In fact, in the last four year adoption of AI technologies among companies has increased by 270 percent. In telecommunications, for instance, 52 percent of companies have chatbots deployed for better and smoother customer experience. Now, about 49 percent of businesses are now on their way to alter business models to integrate and adopt AI-driven processes. Further, industry leaders have gone beyond and voiced their concerns about companies that are lagging in AI adoption.

Unfortunately, it has been extremely difficult for employers to find right skilled or qualified candidates for AI-related positions. A reports suggests that there are total 300,000 AI professionals are available worldwide, while there’s demand for millions. In a recent survey conducted by Ernst & Young, 51 percent AI professionals told that lack of talent was the biggest impediment in AI adoption.

Further, O’Reilly, in 2018 conducted a survey, which found the lack of AI skills, among other things, was the major reason that was holding companies back from implementing AI.
The major reason for this is the lack of skills among people who aspire to get into AI-related jobs. According to a report, there demand for millions for jobs in AI. However, only a handful of qualified people are available.

Bridging the skill gap in AI-related jobs

Top companies and government around the world have taken up initiatives to close this gap. Google and Amazon, for instance, have dedicated facilities which trains in AI skills.  Google’s Brain Toronto is a dedicated facility to expand their talent in AI.  Similarly, Amazon has facility near University of Cambridge which is dedicated to AI. Most companies either already have a facility or are in the process of setting up one.

In addition to this, governments around the world are also taking initiatives to address the skill gap. For instance, government across the world are pushing towards AI advancement and are develop collaborative plans which aims at delivering more AI skilled professionals. Recently, the white house launched ai.gov which is further helping to promote AI in the US. The website will offer updates related to AI projects across different sectors.

Other than these, companies have taken this upon themselves to reskills their employees and prepare them for future roles. According to a report from Towards Data Science, about 63 percent of companies have in-house training programs to train employees in AI-related skills.

Overall, though there is demand for AI professionals, lack of skilled talent is a major problem.

Roles in Artificial Intelligence
Artificial Intelligence is the most dominant role for which companies hire across artificial Intelligence. Other than that, following are some of the popular roles:

  1. Machine learning Engineer: These are the people who make machines learn with complex algorithms. On advance level, Machine learning engineers are required to have good knowledge of computer vision. According to Indeed, in the last year, demand for Machine Learning Engineer has grown by 344 percent.
  2. NLP Experts: These experts are equipped with the understanding of making machines computer understand human language. Their expertise includes knowledge of how machines understand human language. Text-to-speech technologies are the common areas which require NLP experts. Demand for engineers who can program computers to understand human speech is growing continuously. It was the fast growing skills in Upwork’s list of in-demand freelancing skills. In Q4, 2016, it had grown 200 percent and since then has been on continuously growing.
  3. Big Data Engineers: This is majorly an analytics role. These gather huge amount of data available from sources and analyze it to derive insights and understand patter, which may be further used for machine learning, prediction modelling, natural language processing. In Mckinsey annual report 2018, it had reported that there was shortage of 190,000 big data professionals in the US alone.

Other roles like Data Scientists, Analysts, and more also in great demand. Then, again due to insufficient talent in the market, companies are struggling to hire for these roles.

Self-learning and upskilling
Artificial Intelligence is a continuously growing field and it has been advancing at a very fast pace, and it makes extremely difficult to keep up with in-demand skills. Hence, it is imperative to keep yourself up with demand of the industry, or it is just a matter of time before one becomes redundant.

On an individual level, learning new skills is necessary. One has to be agile and keep learning, and be ready to adapt new technologies. For this, AI training programs and certifications are ideal.  There are numerous AI programs which individuals can take to further learn new skills. AI certifications can immensely boost career opportunities. Certification programs offer a structured approach to learning which benefits in learning mostly practical and executional skills while keeping fluff away. It is more hands-on. Plus, certifications programs qualify only when one has passed practical test which is very advantageous in tech. AI certifications like AIE (Artificial Intelligence Engineer) are quite popular.

Online learning platforms also offer good a resource to learn artificial intelligence. Most schools haven’t yet adapted their curriculum to skill for AI, while most universities and grad schools are in their way to do so. In the meantime, online learning platforms offer a good way to learn AI skills, where one can start from basic and reach to advance skills.

rohitmishra

Introduction to ROC Curve

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The abbreviation ROC stands for Receiver Operating Characteristic. Its main purpose is to illustrate the diagnostic ability of classifier as the discrimination threshold is varied. It was developed during World War II when Radar operators had to decide if the blip on the screen is an enemy target, a friendly ship or just a noise.  For these purposes they measured the ability of a radar receiver operator to make these important distinctions, which was called the Receiver Operating Characteristic.

Later it was found useful in interpreting medical test results and then in Machine learning classification problems. In order to get an introduction to binary classification and terms like ‘precision’ and ‘recall’ one can look into my earlier blog  here.

True positive rate and false positive rate

Let’s imagine a situation where a fire alarm is installed in a kitchen. The alarm is supposed to emit a sound in case fire smoke is detected in the room. Unfortunately, there is a lot of cooking done in the kitchen and the alarm may trigger the sound too often. Thus, instead of serving a purpose the alarm becomes a nuisance due to a large number of false alarms. In statistical terms these types of errors are called type 1 errors, or false positives.

One way to deal with this problem is to simply decrease sensitivity of the device. We do this by increasing the trigger threshold at the alarm setting. But then, not every alarm should have the same threshold setting. Consider the same type of device but kept in a bedroom. With high threshold, the device might miss smoke from a real short-circuit in the wires which poses a real danger of fire. This kind of failure is called Type 2 error or a false negative. Although the two devices are the same, different types of threshold settings are optimal for different circumstances.

To specify this more formally, let us describe the performance of a binary classifier at a particular threshold by the following parameters:

 

These parameters take different values at different thresholds. Hence, they define the performance of the classifier at particular threshold. But we want to examine in overall how good a classifier is. Fortunately, there is a way to do that. We plot the True Positive Rate (TPR) and False Positive rate (FPR) at different thresholds and this plot is called ROC curve.

Let’s try to understand this with an example.

A case with a distinct population distribution

Let’s suppose there is a disease which can be identified with deficiency of some parameter (maybe a certain vitamin). The distribution of population with this disease has a mean vitamin concentration sharply distinct from the mean of a healthy population, as shown below.

This is result of dummy data simulating population of 2000 people,the link to the code is given  in the end of this blog.  As the two populations are distinctly separated (there is no  overlap between the two distributions), we can expect that a classifier would have an easy job distinquishing healthy from sick people. We can run a logistic regression classifier with a threshold of .5 and be 100% succesful in detecting the decease.

The confusion matrix may look something like this.

In this ideal case with a threshold  of  .5 we do not make a single wrong classification. The True positive rate and False positive rate are 1 and 0, respectively. But we can shift the threshold. In that case, we will  get different confusion matrices. First we plot threshold vs. TPR.

We see for most values of threshold the TPR is close to 1 which again proves data is easy to classify and the classifier is returning high probabilities  for the most of positives .

Similarly Let’s plot threshold vs. FPR.

For most of the data points FPR is close to zero. This is also good. Now its time to plot the ROC curve using these results (TPR vs FPR).

Let’s try to interpret  the results,  all the points lie on line x=0 and y=1, it means for all the points FPR is zero or TPR is one, making  the curve a square. which means the classifier does perfectly well.

Case with overlapping  population distribution

The above example was about a perfect classifer. However, life is often not so easy. Now let us consider another more realistic situation in which the parameter distribution of the population is not as distinct as in the previous case. Rather, the mean of the parameter with healthy and not healthy datapoints are close and the distributions overlap, as shown in the next figure.

If we set the threshold to 0.5, the confusion matrix may look like this.

Now, any new choice of threshold location will affect both false positives and false negatives. In fact, there is a trade-off. If we shift the threshold with the goal to reduce false negatives, false positives will increase. If we move the threshold to the other direction and reduce false positive, false negatives will increase.

The plots (TPR vs Threshold) , (FPR vs Threshold) are shown below

If we plot the ROC curve from these results, it looks like this:

From the curve we see the classifier does not perform as well as the earlier one.

What else can be infered from this curve? We first need to understand what the diagonal in this plot represent. The diagonal represents ‘Line of no discrimination’, which we obtain if we randomly guess. This is the ROC curve for the worst possible classifier. Therefore, by comparing the obtained ROC curve with the diagonal, we see how much better our classifer is from random guessing.

The further away ROC curve from the diagonal is (the closest it is to the top left corner) , better the classifier is.

Area Under the curve

The overall performance of the classifier is given by the area under the ROC curve and is usually denoted as AUC. Since TPR and FPR lie within the range of 0 to 1, the AUC also assumes values between 0 and 1. The higher the value of AUC, the better is the overall performance of the classifier.

Let’s see this for the two different distributions which we saw earlier.

As we know the classifier had worked perfectly in the first case with points at (0,1) the area under the curve is 1 which is perfect. In the latter case the classifier was not able to perform as good, the ROC curve is between the diagonal and left hand corner. The AUC as we can see is less than 1.

Some other general characteristics

There are still few points that needs to be discussed on a General ROC curve

  • The ROC curve does not provide information about the actual values of thresholds used for the classifier.
  • Performance of different classifiers can be compared using the AUC of different Classifier. The larger the AUC, the better the classifier.
  • The vertical distance of the ROC curve from the no discrimination line gives a measure of ‘INFORMEDNESS’. This is known as Youden’s J satistic. This statistics can take values between 0 and 1.

Youden’s  J statistic is defined for every point on the ROC curve . The point at which Youden’s  J satistics reaches its maximum for a given ROC curve can be used to guide the selection of the threshold to be used for that classifier.

I hope this post does the job of providing an understanding of ROC curves  and AUC. The  Python program for simulating the example given earlier can be found here .

Please feel free to adjust the mean of the distributions and see the changes in the plot.

Danish Wadhwa

How is automation changing data science and machine learning?

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We have come a long way since the introduction of data science and machine learning. The recent study has found that the volume of business data doubles in less than 14 months. Today, the collection of data is no longer a problem, but the filtration, analysis, and maintenance of relevant information is a bigger issue.

We need to hire data science professionals, and they demand over $100k annually. Paying that sort of money for a professional is not feasible for every single organization, especially small and middle-sized companies. Google recently announced that it is going to make machine learning technology possible for every business.

The access to machine learning technology is now possible, even for small businesses due to automation. Google, Microsoft, and other companies have come up with automated machine learning tools that enable small businesses to use machine learning technology to enhance their business performance and profit.

Image Source: Google Cloud

With that said, the world still needs a lot of machine learning professionals. Many machine learning professionals prefer Python for machine learning due to its features and a wide range of libraries.

According to the Gartner report, around 40% of data science tasks will be automated by 2020. The data science tools can automate some parts of data science processes, but it is not complete automation.

With that said, it has been helping a lot to accelerate the tasks. We still need data science professionals to deal with real-world problems. The algorithms are not yet able to handle messy data. The significant chunk of data science professionals often prefers performing with data science with Python for sophisticated tasks.

Automation in Data Science

Let me show you the figure right at the beginning before moving forward.

Image Source: Wikipedia

If I had to use only one word to describe the entire data science process, I would use the word “headache.” According to the recent report, the median salary of data scientists easily surpasses $100k annually. The pay will be higher in the time to come.

One needs to pay a lot of money and invest a lot of time to get insights from the collected data. The data scientists need to spend almost 50-60% of their time in data processing and the rest of their time in modeling and deployment.

The cloud platforms like Amazon Web Services, Google, Microsoft Azure, and so on make the job more comfortable, but there is still a lot of work to maintain and extract useful insights from the collected data.

The data science process has lots of inefficiencies. At first, they need to spend over 50% of their total time on processing messy real-world data. After that, there could be a need to customize models, according to specific problems.

The significant contribution of automation is making a significant portion of data processing parts automated. Secondly, the automated platforms can make tracking of various models easier from multiple parameters. The time needed to launch the algorithm is minimal.

One example of an extensive tool to handle a data science project is Alteryx. IT has come up with powerful automated solutions that can drastically reduce the data processing and model development time for smoothening the entire data science workflow. The data science platform, Alteryx, is so amazing that its share price doubled in a span of little more than a year.

Some other great tools that can help you in data science automation are Rapidminer, H20.ai, KNIME, and so on. However, the lack of skilled data scientists can create a problem despite these tools. It is where the role of automated machine learning pops in.

How is Machine Learning Transformed with the entrance of Automation?

The traditional machine learning process was too complicated. One requires to have a lot of expensive machine learning professionals working for months to come up with models to process machine learning tasks.

Image Source: Medium

To make traditional machine learning work, one needs to gather data, standardize data, process features, create and train the machine learning model from problems, validate the models, and deploy the models at last.

You must have heard of how machine learning is only for corporations in the past. But, that has drastically changed in recent time, and it is all due to automation. Keep in mind that the above machine learning model is a simple one. There is a lot of extra works for complicated models. Even for the simple ones, you need to spend a lot of time and money, which makes it impossible for small and medium companies.

The automation in machine learning is all about automating the entire process to make machine learning easier. The only thing you need to do is feed data to the system (not a massive volume of data). You do not need even to cross the three-figure number of images to continue with automated machine learning platforms.

Microsoft has its automl platform along with Google. Other automl platforms can do the trick for you. Using those platforms do not cost you an arm and a leg. If you check out the price, you will be surprised.

There is no need for you to create or deploy models or even test the models. The algorithm will do the job for you. It takes examples and models of historical models to process the data and use a machine learning algorithm.

Even non-statistician can implement machine learning technology with limited data, thanks to automation in machine learning. You can make use of predictive analytics and can get easy solutions for simple prediction problems without scratching your head. Numerous libraries can assist you in the automated generation of machine learning pipelines.

How are the jobs of data scientists simplified by the introduction of automation in machine learning and data science?

It is true that the introduction of automation has drastically reduced the time for completing the tasks for data scientists. They no longer have to spend their valuable time in time-consuming, monotonous works that are necessary but do not provide a lot of value.

However, the need for skilled data scientists still exist, and it will always be there in the time to come. There are challenging works for data scientists that we cannot replace with machines, such as listening to clients, figuring out the root cause of business issues, development and selection of the right solution for the specific business problem.

Just like in other types of jobs, the advancement of automation technologies will modify the tasks that data scientists need to perform. They will be able to allocate more time on things that matter rather than monotonous tasks.

Final Verdict

The automation of machine learning and data science are in the beginning stage. However, they are already making a massive impact on the business world. The huge corporations are investing in Big Data and Machine Learning technologies. We can expect a considerable improvement in these technologies shortly.

Sooner, the competitive advantage of a business will depend on how well they can use the technologies, instead of access to machine learning or Big Data technologies.  I hope this article was valuable to you. If you want to add something or express your thoughts, feel free to leave a comment. I will gladly read and reply to your comment.

Benjamin Aunkofer

Fehler-Rückführung mit der Backpropagation

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Dies ist Artikel 4 von 6 der Artikelserie –Einstieg in Deep Learning.

Das Gradienten(abstiegs)verfahren ist der Schlüssel zum Training einzelner Neuronen bzw. deren Gewichtungen zu den Neuronen der vorherigen Schicht. Wer dieses Prinzip verstanden hat, hat bereits die halbe Miete zum Verständnis des Trainings von künstlichen neuronalen Netzen.

Der Gradientenabstieg wird häufig fälschlicherweise mit der Backpropagation gleichgesetzt, jedoch ist das nicht ganz richtig, denn die Backpropagation ist mehr als die Anwendung des Gradientenabstiegs.

Bevor wir die Backpropagation erläutern, nochmal kurz zurück zur Forward-Propagation, die die eigentliche Prädiktion über ein künstliches neuronales Netz darstellt:

Forward-Propagation

Abbildung 1: Ein simples kleines künstliches neuronales Netz mit zwei Schichten (+ Eingabeschicht) und zwei Neuronen pro Schicht.

In einem kleinen künstlichen neuronalen Netz, wie es in der Abbildung 1 dargestellt ist, und das alle Neuronen über die Sigmoid-Funktion aktiviert, wird jedes Neuron eine Nettoeingabe z berechnen…

z = w^{T} \cdot x

… und diese Nettoeingabe in die Sigmoid-Funktion einspeisen…

\phi(z) = sigmoid(z) = \frac{1}{1 + e^{-z}}

… die dann das einzelne Neuron aktiviert. Die Aktivierung erfolgt also in der mittleren Schicht (N-Schicht) wie folgt:

N_{j} = \frac{1}{1 + e^{- \sum (w_{ij} \cdot x_{i}) }}

Die beiden Aktivierungsausgaben N werden dann als Berechnungsgrundlage für die Ausgaben der Ausgabeschicht o verwendet. Auch die Ausgabe-Neuronen berechnen ihre jeweilige Nettoeingabe z und aktivieren über Sigmoid(z).

Ausgabe eines Ausgabeknotens als Funktion der Eingänge und der Verknüpfungsgewichte für ein dreischichtiges neuronales Netz, mit nur zwei Knoten je Schicht, kann also wie folgt zusammen gefasst werden:

O_{k} = \frac{1}{1 + e^{- \sum (w_{jk} \cdot \frac{1}{1 + e^{- \sum (w_{ij} \cdot x_{i}) }}) }}

Abbildung 2: Forward-Propagation. Aktivierung via Sigmoid-Funktion.

Sollte dies die erste Forward-Propagation gewesen sein, wird der Output noch nicht auf den Input abgestimmt sein. Diese Abstimmung erfolgt in Form der Gewichtsanpassung im Training des neuronalen Netzes, über die zuvor erwähnte Gradientenmethode. Die Gradientenmethode ist jedoch von einem Fehler abhängig. Diesen Fehler zu bestimmen und durch das Netz zurück zu führen, das ist die Backpropagation.

Back-Propagation

Um die Gewichte entgegen des Fehlers anpassen zu können, benötigen wir einen möglichst exakten Fehler als Eingabe. Der Fehler berechnet sich an der Ausgabeschicht über eine Fehlerfunktion (Loss Function), beispielsweise über den MSE (Mean Squared Error) oder über die sogenannte Kreuzentropie (Cross Entropy). Lassen wir es in diesem Beispiel einfach bei einem simplen Vergleich zwischen dem realen Wert (Sollwert o_{real}) und der Prädiktion (Ausgabe o) bleiben:

e_{o} = o_{real} - o

Der Fehler e ist also einfach der Unterschied zwischen dem Ziel-Wert und der Prädiktion. Jedes Training ist eine Wiederholung von Prädiktion (Forward) und Gewichtsanpassung (Back). Im ersten Schritt werden üblicherweise die Gewichtungen zufällig gesetzt, jede Gewichtung unterschiedlich nach Zufallszahl. So ist die Wahrscheinlichkeit, gleich zu Beginn die “richtigen” Gewichtungen gefunden zu haben auch bei kleinen neuronalen Netzen verschwindend gering. Der Fehler wird also groß sein und kann über den Gradientenabstieg durch Gewichtsanpassung verkleinert werden.

In diesem Beispiel berechnen wir die Fehler e_{1} und e_{2} und passen danach die Gewichte w_{j,k} (w_{1,1} & w_{2,1} und w_{1,2} & w_{2,2}) der Schicht zwischen dem Hidden-Layer N und dem Output-Layer o an.

Abbildung 3: Anpassung der Gewichtungen basierend auf dem Fehler in der Ausgabe-Schicht.

Die Frage ist nun, wie die Gewichte zwischen dem Input-Layer X und dem Hidden-Layer N anzupassen sind. Es stellt sich die Frage, welchen Einfluss diese auf die Fehler in der Ausgabe-Schicht haben?

Um diese Gewichtungen anpassen zu können, benötigen wir den Fehler-Anteil der beiden Neuronen N_{1} und N_{2}. Dieser Anteil am Fehler der jeweiligen Neuronen ergibt sich direkt aus den Gewichtungen w_{j,k} zum Output-Layer:

e_{N_{1}} = e_{o1} \cdot \frac{w_{1,1}}{w_{1,1} + w_{1,2}} + e_{o2} \cdot \frac{w_{1,2}}{w_{1,1} + w_{1,2}}

e_{N_{2}} = e_{o1} \cdot \frac{w_{2,1}}{w_{2,1} + w_{2,2}} + e_{o2} \cdot \frac{w_{2,2}}{w_{2,1} + w_{2,2}}

Wenn man das nun generalisiert:

    \[ e_{N} = \left(\begin{array}{rr} \frac{w_{1,1}}{w_{1,1} + w_{1,2}} & \frac{w_{1,2}}{w_{1,1} + w_{1,2}} \\ \frac{w_{2,1}}{w_{2,1} + w_{2,2}} & \frac{w_{2,2}}{w_{2,1} + w_{2,2}} \end{array}\right) \cdot \left(\begin{array}{c} e_{1} \\ e_{2} \end{array}\right) \qquad \]

Dabei ist es recht aufwändig, die Gewichtungen stets ins Verhältnis zu setzen. Diese Berechnung können wir verkürzen, indem ganz einfach direkt nur die Gewichtungen ohne Relativierung zur Kalkulation des Fehleranteils benutzt werden. Die Relationen bleiben dabei erhalten!

    \[ e_{N} = \left(\begin{array}{rr} w_{1,1} & w_{1,2} \\ w_{2,1} & w_{2,2} \end{array}\right) \cdot \left(\begin{array}{c} e_{1} \\ e_{2} \end{array}\right) \qquad \]

Oder folglich in Kurzform: e_{N} = w^{T} \cdot e_{o}

Abbildung 4: Vollständige Gewichtsanpassung auf Basis der Fehler in der Ausgabeschicht und der Fehleranteile in der verborgenden Schicht.

Und nun können, basierend auf den Fehleranteilen der verborgenden Schicht N, die Gewichtungen w_{i,j} zwischen der Eingabe-Schicht I und der verborgenden Schicht N angepasst werden, entgegen dieser Fehler e_{N}.

Die Backpropagation besteht demnach aus zwei Schritten:

  1. Fehler-Berechnung durch Abgleich der Soll-Werte mit den Prädiktionen in der Ausgabeschicht und durch Fehler-Rückführung zu den Neuronen der verborgenden Schichten (Hidden-Layer)
  2. Anpassung der Gewichte entgegen des Gradientenanstiegs der Fehlerfunktion (Loss Function)

Buchempfehlungen

Die folgenden zwei Bücher haben mir sehr beim Verständnis und beim Verständlichmachen der Backpropagation in künstlichen neuronalen Netzen geholfen.

Neuronale Netze selbst programmieren: Ein verständlicher Einstieg mit Python Deep Learning. Das umfassende Handbuch: Grundlagen, aktuelle Verfahren und Algorithmen, neue Forschungsansätze (mitp Professional)
Benjamin Aunkofer

Training eines Neurons mit dem Gradientenverfahren

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Dies ist Artikel 3 von 6 der Artikelserie –Einstieg in Deep Learning.

Das Training von neuronalen Netzen erfolgt nach der Forward-Propagation über zwei Schritte:

  1. Fehler-Rückführung über aller aktiver Neuronen aller Netz-Schichten, so dass jedes Neuron “seinen” Einfluss auf den Ausgabefehler kennt.
  2. Anpassung der Gewichte entgegen den Gradienten der Fehlerfunktion

Beide Schritte werden in der Regel zusammen als Backpropagation bezeichnet. Machen wir erstmal einen Schritt vor und betrachten wir, wie ein Neuron seine Gewichtsverbindungen zu seinen Vorgängern anpasst.

Gradientenabstiegsverfahren

Der Gradientenabstieg ist ein generalisierbarer Algorithmus zur Optimierung, der in vielen Verfahren des maschinellen Lernens zur Anwendung kommt, jedoch ganz besonders als sogenannte Backpropagation im Deep Learning den Erfolg der künstlichen neuronalen Netze erst möglich machen konnte.

Der Gradientenabstieg lässt sich vom Prinzip her leicht erklären: Angenommen, man stünde im Gebirge im dichten Nebel. Das Tal, und somit der Weg nach Hause, ist vom Nebel verdeckt. Wohin laufen wir? Wir können das Ziel zwar nicht sehen, tasten uns jedoch so heran, dass unser Gehirn den Gradienten (den Unterschied der Höhen beider Füße) berechnet, somit die Steigung des Bodens kennt und sich entgegen dieser Steigung unser Weg fortsetzt.

Konkret funktioniert der Gradientenabstieg so: Wir starten bei einem zufälligen Theta \theta (Random Initialization). Wir berechnen die Ausgabe (Forwardpropogation) und vergleichen sie über eine Verlustfunktion (z. B. über die Funktion Mean Squared Error) mit dem tatsächlich korrekten Wert. Auf Grund der zufälligen Initialisierung haben wir eine nahe zu garantierte Falschheit der Ergebnisse und somit einen Verlust. Für die Verlustfunktion berechnen wir den Gradienten für gegebene Eingabewerte. Voraussetzung dafür ist, dass die Funktion ableitbar ist. Wir bewegen uns entgegen des Gradienten in Richtung Minimum der Verlustfunktion. Ist dieses Minimum (fast) gefunden, spricht man auch davon, dass der Lernalgorithmus konvergiert.

Das Gradientenabstiegsverfahren ist eine Möglichkeit der Gradientenverfahren, denn wollten wir maximieren, würden wir uns entlang des Gradienten bewegen, was in anderen Anwendungen sinnvoll ist.

Ob als “Cost Function” oder als “Loss Function” bezeichnet, in jedem Fall ist es eine “Error Function”, aber auf die Benennung kommen wir später zu sprechen. Jedenfalls versuchen wir die Fehlerrate zu senken! Leider sind diese Funktionen in der Praxis selten so einfach konvex (zwei Berge mit einem Tal dazwischen).

 

Aber Achtung: Denn befinden wir uns nur zwischen zwei Bergen, finden wir das Tal mit Sicherheit über den Gradienten. Befinden wir uns jedoch in einem richtigen Gebirge mit vielen Bergen und Tälern, gilt es, das richtige Tal zu finden. Bei der Optimierung der Gewichtungen von künstlichen neuronalen Netzen wollen wir die besten Gewichtungen finden, die uns zu den geringsten Ausgaben der Verlustfunktion führen. Wir suchen also das globale Minimum unter den vielen (lokalen) Minima.

Programmier-Beispiel in Python

Nachfolgend ein Beispiel des Gradientenverfahrens zur Berechnung einer Regression. Wir importieren numpy und matplotlib.pyplot und erzeugen uns künstliche Datenpunkte:

Nun wollen wir einen Lernalgorithmus über das Gradientenverfahren erstellen. Im Grunde haben wir hier es bereits mit einem linear aktivierten Neuron zutun:

Bei der linearen Regression, die wir durchführen wollen, nehmen wir zwei-dimensionale Daten (wobei wir die Regression prinzipiell auch mit x-Dimensionen durchführen können, dann hätte unser Neuron weitere Eingänge). Wir empfangen einen Bias (w_0) der stets mit einer Eingangskonstante multipliziert und somit als Wert erhalten bleibt. Der Bias ist das Alpha \alpha in einer Schulmathe-tauglichen Formel wie y = \beta \cdot x + \alpha.

Beta \beta ist die Steigung, der Gradient, der Funktion.

Sowohl \alpha als auch \beta sind uns unbekannt, versuchen wir jedoch über die Betrachtung unserer Prädiktion durch Berechnung der Formel \^y = \beta \cdot x + \alpha und den darauffolgenden Abgleich mit dem tatsächlichen y herauszufinden. Anfangs behaupten wir beispielsweise einfach, sowohl \beta als auch \alpha seien 0.00. Folglich wird \^y = \beta \cdot x + \alpha ebenfalls gleich 0.00 sein und die Fehlerfunktion (Loss Function) wird maximal sein. Dies war der erste Durchlauf des Trainings, die sogenannte erste Epoche!

Die Epochen (Durchläufe) und dazugehörige Fehlergrößen. Wenn die Fehler sinken und mit weiteren Epochen nicht mehr wesentlich besser werden, heißt es, das der Lernalogorithmus konvergiert.

Als Fehlerfunktion verwenden wir bei der Regression die MSE-Funktion (Mean Squared Error):

MSE = \sum(\^y_i - y_i)^2

Um diese Funktion wird sich nun alles drehen, denn diese beschreibt den Fehler und gibt uns auch die Auskunft darüber, ob wie stark und in welche Richtung sie ansteigt, so dass wir uns entgegen der Steigung bewegen können. Wer die Regeln der Ableitung im Kopf hat, weiß, dass die Ableitung der Formel leichter wird, wenn wir sie vorher auf halbe Werte runterskalieren. Da die Proportionen dabei erhalten bleiben und uns quadrierte Fehlerwerte unserem menschlichen Verstand sowieso nicht so viel sagen (unser Gehirn denkt nunmal nicht exponential), stört das nicht:

MSE = \frac{\frac{1}{2} \cdot \sum(\^y_i - y_i)^2}{n}

MSE = \frac{\frac{1}{2} \cdot \sum(w^T \cdot x_i - y_i)^2}{n}

Wenn die Mathematik der partiellen Ableitung (Ableitung einer Funktion nach jedem Gradienten) abhanden gekommen ist, bitte nochmal folgende Regeln nachschlagen, um die nachfolgende Ableitung verstehen zu können:

  • Allgemeine partielle Ableitung
  • Kettenregel

Ableitung der MSD-Funktion nach dem einen Gewicht w bzw. partiell nach jedem vorhandenen w_j:

\frac{\partial}{\partial w_j}MSE = \frac{\partial}{\partial w} \frac{1}{2} \cdot \sum(\^y - y_i)^2

\frac{\partial}{\partial w_j}MSE = \frac{\partial}{\partial w} \frac{1}{2} \cdot \sum(w^T \cdot x_i - y_i)^2

\frac{\partial}{\partial w_j}MSE = \frac{2}{n} \cdot \sum(w^T \cdot x_i - y_i) \cdot x_{ij}

Woher wir das x_{ij} am Ende her haben? Das ergibt sie aus der Kettenregel: Die äußere Funktion wurde abgeleitet, so wurde aus \frac{1}{2} \cdot \sum(w^T \cdot x_i - y_i)^2 dann \frac{2}{n} \cdot \sum(w^T \cdot x_i - y_i). Jedoch muss im Sinne eben dieser Kettenregel auch die innere Funktion abgeleitet werden. Da wir nach w_j ableiten, bleibt nur x_ij erhalten.

Damit können wir arbeiten! So kompliziert ist die Formel nun auch wieder nicht: \frac{2}{n} \cdot \sum(w^T \cdot x_i - y_i) \cdot x_{ij}

Mit dieser Formel können wir unsere Gewichte an den Fehler anpassen: (f\nabla ist der Gradient der Funktion!)

w_j = w_j - \nabla MSE(w_j)

Initialisieren der Gewichtungen

Die Gewichtungen \alpha und \beta müssen anfänglich mit Werten initialisiert werden. In der Regression bietet es sich an, die Gewichte anfänglich mit 0.00 zu initialisieren.

Bei vielen neuronalen Netzen, mit nicht-linearen Aktivierungsfunktionen, ist das jedoch eher ungünstig und zufällige Werte sind initial besser. Gut erprobt sind normal-verteilte Zufallswerte.

Lernrate

Nur eine Kleinigkeit haben wir bisher vergessen: Wir brauchen einen Faktor, mit dem wir anpassen. Hier wäre der Faktor 1. Das ist in der Regel viel zu groß. Dieser Faktor wird geläufig als Lernrate (Learning Rate) \eta (eta) bezeichnet:

w_j = w_j - \eta \cdot \nabla MSE(w_j)

Die Lernrate \eta ist ein Knackpunkt und der erste Parameter des Lernalgorithmus, den es anzupassen gilt, wenn das Training nicht konvergiert.

Die Lernrate \eta darf nicht zu groß klein gewählt werden, da das Training sonst zu viele Epochen benötigt. Ungeduldige erhöhen die Lernrate möglicherweise aber so sehr, dass der Lernalgorithmus im Minimum der Fehlerfunktion vorbeiläuft und diesen stets überspringt. Hier würde der Algorithmus also sozusagen konvergieren, weil nicht mehr besser werden, aber das resultierende Modell wäre weit vom Optimum entfernt.

Beginnen wir mit der Implementierung als Python-Klasse:

Die Klasse sollte so funktionieren, bevor wir sie verwenden, sollten wir die Input-Werte standardisieren:

Bei diesem Beispiel mit künstlich erzeugten Werten ist das Standardisieren bzw. das Fehlen des Standardisierens zwar nicht kritisch, aber man sollte es sich zur Gewohnheit machen. Testweise es einfach mal weglassen 🙂

Kommen wir nun zum Einsatz der Klasse, die die Regression via Gradientenabstieg absolvieren soll:

Was tut diese Instanz der Klasse LinearRegressionGD nun eigentlich?

Bildlich gesprochen, legt sie eine Gerade auf den Boden des Koordinatensystems, denn die Gewichtungen werden mit 0.00 initialisiert, y ist also gleich 0.00, egal welche Werte in x enthalten sind. Der Fehler ist dann aber sehr groß (sollte maximal sein, im Vergleich zu zukünftigen Epochen). Die Gewichte werden also angepasst, die Gerade somit besser in die Punktwolke platziert. Mit jeder Epoche wird die Gerade erneut in die Punktwolke gelegt, der Gesamtfehler (über alle x, da wir es hier mit dem Batch-Verfahren zutun haben) berechnet, die Werte angepasst… bis die vorgegebene Zahl an Epochen abgelaufen ist.

Schauen wir uns das Ergebnis des Trainings an:

Die Linie sieht passend aus, oder? Da wir hier nicht zu sehr in die Theorie der Regressionsanalyse abdriften möchten, lassen wir das testen und prüfen der Akkuratesse mal aus, hier möchte ich auf meinen Artikel Regressionsanalyse in Python mit Scikit-Learn verweisen.

Prüfen sollten wir hingegen mal, wie schnell der Lernalgorithmus mit der vorgegebenen Lernrate eta konvergiert:

Hier die Verlaufskurve der Cost Function:

Die Kurve zeigt uns, dass spätestens nach 40 Epochen kaum noch Verbesserung (im Sinne der Gesamtfehler-Minimierung) erreicht wird.

Wichtige Hinweise

Natürlich war das nun nur ein erster kleiner Einstieg und wer es verstanden hat, hat viel gewonnen. Denn erst dann kann man sich vorstellen, wie ein einzelnen Neuron eines künstlichen neuronalen Netzes grundsätzlich trainiert werden kann.

Folgendes sollte noch beachtet werden:

  • Lernrate \eta:
    Die Lernrate ist ein wichtiger Parameter. Wer das Programmier-Beispiel bei sich zum Laufen gebracht hat, einfach mal die Lernrate auf Werte zwischen 10.00 und 0.00000001 setzen, schauen was passiert 🙂
  • Globale Minima vs lokale Minima:
    Diese lineare zwei-dimensionale Regression ist ziemlich einfach. Neuronale Netze sind hingegen komplexer und haben nicht einfach nur eine simple konvexe Fehlerfunktion. Hier gibt es mehrere Hügel und Täler in der Fehlerfunktion und die Gefahr ist groß, in einem lokalen, nicht aber in einem globalen Minimum zu landen.
  • Stochastisches Gradientenverfahren:
    Wir haben hier das sogenannte Batch-Verfahren verwendet. Dieses ist grundsätzlich besser als die stochastische Methode. Denn beim Batch verwenden wir den gesamten Stapel an x-Werten für die Fehlerbestimmung. Allerdings ist dies bei großen Daten zu rechen- und speicherintensiv. Dann werden kleinere Unter-Stapel (Sub-Batches) zufällig aus den x-Werten ausgewählt, der Fehler daraus bestimmt (was nicht ganz so akkurat ist, wie als würden wir den Fehler über alle x berechnen) und der Gradient bestimmt. Dies ist schon Rechen- und Speicherkapazität, erfordert aber meistens mehr Epochen.

Buchempfehlung

Die folgenden zwei Bücher haben mir bei der Erstellung dieses Beispiels geholfen und kann ich als hilfreiche und deutlich weiterführende Lektüre empfehlen:

 

Machine Learning mit Python und Scikit-Learn und TensorFlow: Das umfassende Praxis-Handbuch für Data Science, Predictive Analytics und Deep Learning (mitp Professional) Hands-On Machine Learning with Scikit-Learn and TensorFlow: Concepts, Tools, and Techniques for Building Intelligent Systems

 

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